Содержание к диссертации
Введение
1. Методы формирования нсравнотолшинных покрытий и их применение в лазерных системах . 10
1.1 Методы, позволяющие улучшить выходные характеристики лазерных систем 10
1.2 Применение в лазерных резонаторах, многослойных диэлектрических зеркал, с переменным коэффициентом отражения .. 11
1.3 Методы формирования слоев с переменной по поверхности детали толщиной 16
1.4 Контроль толщины слоев во время процесса осаждения.. 21
2. Выбор конструкций тонкопленочных систем, обеспечивающих заданные выходные характеристики лазерных систем 24
2.1 Диэлектрические узкополосные фильтры 36
2.2 Четвертьволновые зеркала 47
2.3 Диэлектрические системы различных конструкций 52
Выводы по главе 2... 56
3. Формирование слоев с переменным профилем толщины при испарении пленкообразующих материалов в вакууме 58
3.1 Планетарное вращение 59
3.2 Одинарное вращение 67
3.3 Факторы, оказывающие влияние на профиль толщины покрытий во время осаждения 79
3.4 Оснастка для формирования в вакууме покрытий с переменным профилем толщины... 93
Выводы по главе 3 97
4. Изготовление и исследование многослойных диэлектрических покрытий с переменным отражением 99
4.1 Используемое вакуумное оборудование 99
4.2 Изготовление многослойных диэлектрических систем 102
4.3 Исследование многослойных диэлектрических систем 106
Выводы по главе 4 131
Заключение 132
Приложение 134
Литература 146
- Применение в лазерных резонаторах, многослойных диэлектрических зеркал, с переменным коэффициентом отражения
- Четвертьволновые зеркала
- Одинарное вращение
- Изготовление многослойных диэлектрических систем
Введение к работе
С развитием современных оптических технологий лазерные системы и технологии находят все большее применение в различных областях науки и техники. В последнее время большое внимание уделяется улучшению выходных пространственно-энергетических характеристик лазеров. Разработаны методы, позволяющие достичь в этом направлении положительных результатов. Одним из таких методов является использование в лазерных резонаторах отражателей с переменным по поверхности коэффициентом отражения. Отражатели представляют собой, нанесенные на подложку многослойные диэлектрические покрытия, содержащие слои с переменным по поверхности детали профилем толщины. Конструкция таких диэлектрических систем, т.е. число слоев, порядок их расположения, показатели преломления, оптические толщины, может быть различной, для облегчения подбора пленочной системы важно определить закономерности формироваЕіия коэффициента отражения в зависимости от следующих параметров, которые необходимо рассматривать не только по отдельности, но и в совокупности друг с другом:
общее количество слоев в системе;
количество слоев с непостоянной толщиной в системе;
толщина слоев в центре детали и на краях;
порядок чередования слоев с высоким и низким показателями преломления и их взаимное расположение;
- величины показателей преломления слоев, подложки, среды.
Определив некоторые существующие закономерности, можно подобрать
множество систем, близко удовлетворяющих заданным условиям, и,
учитывая требуемые характеристики: распределение коэффициента
отражения по поверхности детали, фазовые соотношения, сделать
окончательный выбор системы.
Процесс вакуумного испарения пленкообразующего вещества является сложным, но достаточно изученным процессом. Осаждение пленок в вакууме можно разделить на несколько последовательных этапов: 1) переход пленкообразующего вещества из твердой или жидкой фазы в газообразную; 2) перенос паров вещества в вакууме от испарителя до поверхности подложки; 3) конденсация паров вещества на поверхности подложки. На эти этапы оказывает влияние множество различных факторов, в том числе и человеческий фактор, которые возможно предсказать, но довольно трудно учесть непосредственно во время процесса осаждения, так как каждый процесс осаждения вещества является индивидуальным, т.е. неповторимым, и многие факторы изменяются с течением времени. Поэтому при выборе конструкции многослойной пленочной системы необходимо руководствоваться таким свойством системы как минимальная зависимость распределения коэффициента отражения и других оптических характеристик от каких-либо ошибок и отклонений, возникающих во время осаждения.
Важным моментом в технологии изготовления таких систем, основанной на вакуумных методах нанесения покрытий с переменным профилем толщины, используя различную оснастку, является простота и удобство эксплуатации оснастки, а также получение покрытий с заданными оптическими и геометрическими параметрами.
В процессе осаждения материала используются различные методы контроля толщины слоев. Самым распространенным является фотометрический метод, в котором оптическая толщина на фиксированной длине волны Лк контролируется путем измерения коэффициента пропускания 7\ЛК) или отражения /?(Лк)- Во время осаждения Г(Лк) или Л(Як) изменяются с ростом толщины слоя по косинусоидальному закону и зависят от показателей преломления пленкообразующего материала, подложки, среды, из которой падает свет и от длины волны Лк. Существует проблема контроля толщины слоев на деталях с зоной постоянного
коэффициента отражения меньшей размера светового пучка, посредством которого ведется контроль, или на деталях малого диаметра по тем же причинам. Поэтому необходим метод, который должен обеспечивать формирование покрытий с требуемыми оптическими и геометрическими параметрами.
Целью работы является анализ влияния конструкции тонкопленочных систем, включающих слои с переменным профилем толщины, на коэффициент отражения (пропускания) в некоторой точке поверхности подложки на заданной рабочей длине волны и оптимизация выбора конструкции покрытий с заданными характеристиками, а также создание экспериментальной технологии многослойных диэлектрических систем с переменным коэффициентом отражения по поверхности детали, используемых в лазерных резонаторах.
Настоящая диссертационная работа посвящена:
Поиску закономерностей, позволяющих оптимизировать выбор конструкции диэлектрической системы, которая должна обеспечить требуемое распределение коэффициента отражения по поверхности детали. Конструкция определяется общим количеством слоев в системе, величиной показателей преломления слоев, подложки, среды, количеством слоев с переменным профилем толщины, а также взаимным расположением слоев с высоким и низким показателями преломления (порядковый номер в пленочной системе), толщиной слоев в центре детали и на краях.
Оценке неоднозначности выбора конструкций пленочных систем, обеспечивающих требуемый профиль коэффициента отражения, и определение критериев выбора конструкции многослойной системы.
Анализу особенностей фотометрического контроля толщины слоев с переменным профилем во время процесса осаждения.
Оценке влияния различных факторов во время осаждения материала на формируемый профиль толщины, а, следовательно, на
7 профиль коэффициента отражения.
5. Исследованию оптических характеристик полученных покрытий.
Основные результаты, выносимые на защиту:
Критерии выбора конструкции пленочной системы.
Зависимости коэффициента отражения от толщины слоев R(d) для пленочных систем различных конструкций.
Закономерности влияния структуры многослойной диэлектрической системы, включающей слои с переменным профилем толщины, на распределения коэффициента отражения R(d).
Условия формирования профиля толщины слоев пленочных покрытий через круглую диафрагму на подложку, совершающую планетарное или одинарное вращение.
Универсальная оснастка для формирования покрытий с переменным профилем толщины на подложке при одинарном вращении,
Экспериментальные результаты создания и исследования полученных диэлектрических систем, включающих слои с переменным профилем толщины.
Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе представлен анализ работ, посвященный проблеме улучшения выходных энергетических характеристик лазерных систем, а также методам, позволяющим выполнить эту задачу путем применения в лазерных системах резонаторов различных конструкций. Особое внимание уделяется методу, использующему в резонаторах отражатели с переменным по поверхности детали отражением. Заданное распределение коэффициента отражения обеспечивают многослойные тонкопленочные системы, включающие слои с переменным профилем толщины. Здесь же рассмотрены методы формирования переменного профиля пленочных покрытий в вакууме с использованием масок различных конструкций.
Во второй главе подробно рассмотрены расчеты профиля толщины
8 слоя, на примере однослойной и трехслойной диэлектрических пленочных систем, содержащих один слой с меняющейся толщиной, в ходе которых определены параметры, оказывающие влияние на требуемый профиль толщины слоя или слоев, и который в итоге должен обеспечивать требуемое или близкое к требуемому распределение коэффициента отражения по поверхности подложки. Определены критерии выбора конструкции многослойной диэлектрической системы в порядке их значимости, руководствуясь которыми будет проводиться окончательный выбор пленочной системы. Рассмотрено влияние определенных параметров на зависимость коэффициента отражения от толщины, от порядка расположения слоев с постоянной и меняющейся толщиной и т.д., в конструкциях, представляющих собой узкополосные диэлектрические фильтры, четвертьволновые зеркала, а также другие зеркальные системы. Проведен поиск закономерностей в этих системах, позволяющих упростить подбор необходимой диэлектрической системы. Показана неоднозначность в выборе конструкции пленочных систем. Используя эти зависимости и зная выявленные закономерности, присущие тем или иным системам, можно в большой степени упростить получение желаемого результата.
В третьей главе рассмотрена математическая модель планетарного вращения, в которой осаждение материала происходит через круглую диафрагму на подложку, совершающую планетарное движение. Для данной модели предложены различные варианты схем подложкодержателя для вакуумного формирования неравнотолщинных покрытий одновременно на большом количестве подложек. Рассхмотрена модель одинарного вращения, описывающая формирование на подложках осесимметричных покрытий с переменным профилем толщины. Рассмотрены факторы, оказывающие влияние на профиль толщины покрытий во время осаждения. При одинарном вращении и испарении вещества из малого поверхностного испарителя через круглую диафрагму,
9 рассмотрено влияние на толщину слоя в некоторой точке поверхности подложки параметров, ограниченных в заданных пределах: Н - расстояние от испарителя до поверхности подложки, h - расстояние от испарителя до диафрагмы, Ди - расстояние от испарителя до оси вращения подложкодержателя, rD\ - радиус диафрагмы. Представлена схема разработанной экспериментальной оснастки для формирования в вакууме пленочных покрытий с переменным профилем толщины.
В четвертой главе рассмотрено вакуумное формирование на плоскопараллелыюи пластине многослойной диэлектрической системы с переменным отражением, а также проведено исследование полученных пленочных систем и сравнение экспериментальных и расчетных данных.
Применение в лазерных резонаторах, многослойных диэлектрических зеркал, с переменным коэффициентом отражения
Существующие методы генерации дифракционно ограниченных лазерных пучков высокой мощности или энергии основаны на использовании неустойчивых резонаторов. Для лазеров с высоким коэффициентом усиления и большим поперечным сечением активной среды (эксимерные и СОг-лазеры, импульсные лазеры на гранате с неодимом) применение неустойчивых резонаторов особенно эффективно. Однако, основной проблемой формирования одномодового лазерного излучения в обычных неустойчивых резонаторах является кольцеобразная форма пучка на выходе лазера и негативное влияние дифракции на краях жесткой диафрагмы, ограничивающей апертуру резонатора. Низкое качество пучка проявляется в дальней зоне, где значительная доля энергии перераспределяется в боковые максимумы, увеличивая расходимость, [31].
Наибольший интерес представляет метод улучшения качества пучка, основанный на использовании в резонаторах отражателей с меняющимся по радиусу коэффициентом отражения. Величина коэффициента отражения изменяется пропорционально толщине диэлектрического слоя, образующего выходное зеркало, и плавно меняется вдоль радиальной координаты подложки. В работе [31] рассмотрены основные закономерности формирования основной лазерной моды в резонаторах Фабри-Перо твердотельных лазеров, выходное зеркало которых представляет собой неоднородный по поперечному сечению амплитудно-фазовый фильтр трапецеидальной формы. Теоретически и экспериментально показано, что использование подобных оптических компонентов приводит к существенному улучшению выходных параметров лазерного излучения, а именно: к уменьшению расходимости и повышению энергетической эффективности лазера. Использование данной методики для улучшения выходных характеристик рассмотрено теоретически и реализовано практически во многих работах [18-30], где в лазерных системах, в качестве активных тел содержащих СОг и Nd:YAG и др., используются зеркала, сформированные на основе диэлектрических тонких пленок, нанесенных на подложку. Изменение коэффициента отражения по радиальной координате поверхности подложки чаще описывается супергауссовой функцией. Решение этих проблем наиболее легко может быть осуществлено с помощью неустойчивогых резонаторов. Применение неустойчивых резонаторов такого типа позволяет: - получить однородное распределение излучения в ближней и, следовательно, в дальней зоне; - улучшить селекцию поперечных мод и, соответственно, увеличить осевую интенсивность полученного излучения; - уменьшить возникновение нежелательных краевых дифракционных эффектов, характерное для резонаторов с жесткой диафрагмой, благодаря мягкой апертуре. - получить дифракционно ограниченные пучки с требуемой устойчивостью к децентрировке. Аналогичных результатов при формировании лазерного излучения: уменьшение расходимости, увеличение яркости по сравнению с резонаторами на основе обычных зеркал, можно достичь в случае применения отражателей с переменным коэффициентом отражения в схемах со стабильным резонатором. Проведенные эксперименты показали преимущество использования супергауссовых зеркал для повышения яркости излучения технологического лазера с устойчивым резонатором, работающим в многомодовом режиме. Применение супергауссовых зеркал позволяет значительно улучшать модовую селекцию устойчивого резонатора твердотельного лазера [30].
Коэффициент отражения выходного зеркала резонатора, в большинстве случаев, является гауссовой или супергауссовой функцией радиальной координаты, при этом в лазере генерируется излучение на одной или на ограниченном числе поперечных мод, модовый объем в активной среде и выходная мощность лазера уменьшаются, однако, осевая яркость возрастает. Также можно сказать, что зеркала с параболическим распределением коэффициента отражения, обеспечивают сходные выходные характеристики, [22,23]. Например, было показано [24], что для зеркал с распределением коэффициента отражения, определяемого зависимостью: R = R0[l (p/a)2], где RQ - коэффициент отражения в центре зеркала, р - радиальная координата, а - радиус, на котором коэффициент отражения R0 убывает до значения R0fe; может быть обеспечено более однородное распределение интенсивности в ближней области с почти такой же плотностью энергии в дальней области, т.е. малая угловая расходимость.
Элементом резонатора, обеспечивающим распределение коэффициента отражения по радиальной координате, является тонкопленочная диэлектрическая система, состоящая из т слоев с разными показателями преломления, нанесенных на плоскую или сферическую поверхность детали. Для формирования требуемой зависимости коэффициента отражения, обеспечивающей улучшение выходных характеристик лазера, в большинстве случаев применяется простейшая конструкция отражателя. Как правило, просветляющее покрытие состоит из двух диэлектрических слоев с постоянной толщиной и отличающимися показателями преломления ип и иц, где па пц. На одну из двух просветленных сторон детали наносится диэлектрический слой с высоким показателем преломления / (рис. 1.1.1).
В центральной зоне просветляющее покрытие входит в состав зеркальной системы на заданном участке подложки и обеспечивает необходимый максимальный по величине коэффициент отражения. С уменьшением толщины верхнего слоя вдоль радиуса, соответственно, уменьшается коэффициент отражения, и на краях детали, где толщина этого слоя равна нулю, тонкопленочная система начинает работать как просветляющее покрытие, т.е. коэффициент отражения стремится к нулю, [18-21,23-25,27-30]. Если в центральной области требуется получить большой по величине коэффициент отражения, пленочная система включает в себя большее количество слоев (рис. 1.1.2, 1.1.3), для которых и выполняется поставленная задача [18,28-30]. Кроме обеспечения величины максимального отражения и распределения отражения по поверхности детали, в некоторых случаях, важно учитывать волновой фронт получаемого излучения, так как оптические покрытия могут вносить большие фазовые искажения или аберрации, которые существенно уменьшают осевую интенсивность в дальней зоне [18,29,30]. Также важно учитывать фазовые характеристики, например, в низкоэнергетических процессах, таких как оптическая обработка данных и интерферометрия, [6,32,40]. На волновой фронт излучения будет оказывать влияние конструкция пленочной системы: количество слоев, их показатели преломления, взаимное расположения слоя или слоев с непостоянной толщиной относительно слоев с постоянной толщиной, характер распределения толщины переменного слоя по поверхности детали.
Четвертьволновые зеркала
Наряду с четвертьволновыми пленочными системами, включающими слои с переменным профилем толщины, практическую значимость в формировании заданного распределения коэффициента отражения R(p) по поверхности подложки имеют другие диэлектрические системы, в том числе и зеркальные системы с оптической толщиной различных слоев nd&A(/4. На рис, 2.11 показано влияние максимальной толщины слоев с переменным профилем диэлектрической системы (2.18) на зависимость коэффициента отражения от толщины слоев. Rmax и минимального Rmm коэффициентов отражения остаются такими же. Исключение составляет пример, где ийґІіач 0.25Ло, на рис. 2ЛI /7 /,, =0.2 , в этом случае R тах и Ad уменьшается.
Особое внимание необходимо уделить пятислойной диэлектрической системе (2.19): ns/H /I-yat/Hj (2.19) где Н - слой с низким показателем преломления им=1.45, В - слой с высоким показателем преломления ло=1.92, показатель преломления подложки «s= 1.52. Рассмотрим частный случай, когда оптическая толщина слоев с постоянной толщиной, а также начальная толщина слоев с меняющейся толщиной равна AQ/4. В этом примере начальной толщине (Д /4) слоев системы, в отличие от конструкции (2.18), не соответствует максимально возможный коэффициент отражения. Данная пленочная система при nd=A )/4 всех слоев обеспечивает на заданной длине волны значение коэффициента отражения Ro l4.4% (см. приложение 1.1). При дальнейшем уменьшении толщины различных слоев в одних случаях коэффициент отражения уменьшается, в других увеличивается, т.е. зависимость R(d/do) трудно предсказуема. Число вариантов, в которых система (2.19) обеспечит некоторое значение Rmax и требуемое Rmm, равно 9. Из них в системах 2; 2,3; 1,2,3; 1,3,4; 2,3,4; 1,2,3,4 коэффициент отражения изменяется от Rmax&\4A% при nd=Ao/4 до Rmm, в системах 1,4,5; 3,4,5; 1,3,4,5 R изменяется от Rmax, который в каждом случае имеет свое значение, с ответствен но, а?31%, 25.6%, к24.6% до Rmm.
Практическое значение имеют также системы следующего вида: «S/Hi/B2/... /HN.,/BN (2.20) ns№ ,/Н2/... /BN_,/HN (2.21) В силу трудной предсказуемости зависимостей коэффициента отражения от толщины слоев в системах аналогичных пленочным системам (2.19), (2.20), (2.21), для облегчения поиска необходимой конструкции, обеспечивающей заданное распределение коэффициента отражения, необходимо провести многочисленные расчеты, требующие некоторых временных затрат, и в конечном итоге создать каталог, в котором будут представлены в графическом виде небольшого формата зависимости R(d/d0) (см. рис. 2.10, приложение 1) для выше рассмотренных конструкций пленочных систем, начальная толщина слоев с переменным профилем, в которых ndm4=A(J4. Это относится также к системам вида (2.18). Зная некоторые особенности влияния различных параметров на R(d/do), присущие тем или иным конструкциям пленочных диэлектрических покрытий, можно, управляя толщиной, показателями преломления, количеством слоев и т.д., выбрать нужную диэлектрическую систему.
Рассмотрим пленочные системы, в которых максимальная относительная толщина слоя или слоев (dld max=\ соответствует оптической толщине nd=0.25Xo (рис. 2,10, приложение 1). Если в центральной зоне детали требуется получить максимальное значение коэффициента отражения R\x=Rmax и на краях - минимальное значение RK-Rm!", определяемое условием Rns Rmn Q, где Rns - коэффициент отражения подложки, необходимо подобрать пленочную систему, в которой для обеспечения требуемого распределения отражения толщина слоя или слоев может изменяться, в большинстве случаев, в следующих пределах, указанных в 1-ом варианте таблицы 2.4. В этом варианте толщина градиентных слоев в центре детали, при которой 7?ц=7?тл , больше толщины на краю детали (RK=Rmin), т.е. (dfdo)n (d/d0) .
Для получения в центре детали минимального отражения Ец=Ят ", где Rns R,n"1 0, и на краю максимального RK=Rmax, пределы изменений толщины тоже различны. Чаще используются пленочные системы, в которых толщина слоя или слоев изменяется в следующих пределах — в таблице 2.4 (вариант 3). Последние два диапазона третьего варианта, в которых изменение толщины происходит от минимальной величины к максимальной, имеют ограничения по величине (d/do)max. Сравнив множество вариантов профилей покрытий с минимальной толщиной в центре детали, рассчитанных при различных параметрах оснастки, определено, что в этом случае максимально возможная относительная толщина для данного метода формирования слоев с переменным профилем (dfdu)rnax Q.5. Чем меньше зона постоянной минимальной толщины, тем больше значение максимальной относительной толщины. Следовательно, при выборе диэлектрической пленочной системы, (рис. 2.10, приложение 1), необходимо это условие учитывать.
В данной главе рассмотрен выбор конструкций диэлектрических пленочных систем, обеспечивающих требуемое распределение коэффициента отражения по поверхности детали, также рассмотрено влияние толщины слоев в различных системах на коэффициент отражения.
1. Подробно рассмотрены расчеты профиля толщины слоя, на примере однослойной и трехслойной диэлектрических пленочных систем, содержащих один слой с меняющейся толщиной, в ходе которых определены параметры, оказывающие влияние на требуемый профиль толщины слоя или слоев, и который в итоге должен обеспечивать требуемое или близкое к требуемому распределение коэффициента отражения по поверхности подложки. Другими словами, проведено решение задач синтеза на простых примерах, в дальнейшем позволяющее аналогично выполнять поставленные задачи для более сложных пленочных систем.
2. Определены критерии выбора конструкции многослойной диэлектрической системы в порядке их значимости, руководствуясь которыми будет проводиться окончательный выбор пленочной системы.
3. Рассмотрено влияние на зависимость коэффициента отражения от толщины R(dfd0): порядка, а также взаимного расположения слоев с постоянной и меняющейся толщиной в многослойном пакете, ограниченном с двух сторон системой сред воздух-подложка; количества слоев с меняющейся толщиной в конструкциях, представляющих собой уз ко полосные диэлектрические фильтры, четвертьволновые зеркала, а также другие зеркальные системы. Проведен поиск закономерностей в этих системах, позволяющих оптимизировать подбор необходимой диэлектрической системы, которая должна обеспечить требуемое распределение R(p) с максимальным или минимальным значением отражения в центре детали.
4. Показана неоднозначность в выборе конструкции пленочных систем, в связи с этим в дальнейшем предполагается создать каталог, в котором будут представлены зависимости R(dld t) в графическом виде для большинства различных систем. Используя эти зависимости и зная выявленные закономерности, присущие тем или иным системам, можно в большой степени упростить получение желаемого результата - выбор нужной конструкции.
Одинарное вращение
В данной работе для получения на практике покрытий с переменной по поверхности детали толщиной слоя рассматривается метод, при котором осаждение пленкообразующего материала происходит в вакууме через тонкую диафрагму D\ с круглым отверстием, находящуюся между испарителем и подложкой, ось вращения которой совпадает с центрами симметрии диафрагмы D\ и ограничивающей диафрагмы D2 (табл. 3.1: а=\, г=0), (рис. 3.4) [79]. В данной модели рассматривается испаритель, размерами которого можно пренебречь - бесконечно малый поверхностный испаритель. В дальнейшем по тексту под испарителем в математической модели подразумевается бесконечно малый поверхностный испаритель. Диафрагма и подложка вращаются в плоскостях параллельных горизонтальной плоскости с одинаковой угловой скоростью и в одном направлении. При этих условиях на детали будет получено осесимметричное распределение толщины слоя, а, следовательно, профиль коэффициента отражения также будет иметь осевую симметрию. Толщина осажденного слоя d будет определяться геометрическими параметрами вакуумной установки и внутри камерной оснастки и представлена без учета факторов, возникающих в процессе осаждения аналогично выражению (3.1) для более сложного движения подложки - планетарного вращения: d = l) рф ,ж] (3.9)
Для определения предела интегрирования по р рассмотрим формирование толщины слоя d в некоторой точке детали за период, когда точка А с радиальной координатой / на поверхности детали находилась в зоне видимости испарителя от начального положения А і по радиальной координате /?д до конечного положения Ад при вращении детали (рис. 3.5). AS - участок подложки, на который происходит осаждение материала в единицу времени через круглую диафрагму с радиусом rD\, если радиус подложки больше или равен OSk, где 5 - крайняя точка зоны осаждения; Р{ р) - расстояние от испарителя до точки А на поверхности детали с радиальной координатой /?д в некоторый момент времени, которому соответствует угол поворота приемной поверхности - подложки; Кц -расстояние от испарителя И до центра вращения подложкодержателя О, диафрагмы D\ и подложки. Угол поворота подложки р(рл), при котором точка А совершает круговое движение, можно разделить на две составляющие: р\ - угол поворота от начального положения в точке А і до промежуточного положения в точке с координатой А(х;0) в координатной плоскости XY; щ - угол поворота от А(лг;0) до конечного положения А2. В выражениях (3.9) и (3.11) введен множитель 2, так как углы щ и рі равны и
Осаждение материала через круглую диафрагму с радиусом I"D\t\s некоторую точку подложки с радиальной координатой р (вид сверху). значение предела интегрирования по q находится в промежутке [0;/г]. Управляя геометрическими параметрами оснастки: Н, h, 0D\ (рис. 3.4) в случае одинарного вращения, возможно получение двух видов распределения профиля толщины слоев: с минимальной и максимальной толщиной в центре детали [69]. В некоторых случаях, когда в вакуумной камере возможно перемещение испарителя, появляется дополнительный управляющий параметр Ли - расстояние между испарителем и центром симметрии подложки, с помощью которого также можно менять профиль толщины формируемых слоев.
Параметры Я=490мм, Ли=225мм, Л=460мм (рис. 3.4) одинаковы для обоих случаев и не меняются, В первом случае при значении радиуса диафрагмы г і=20мм (рис. 3.6.1) получаем профиль толщины, значение которой максимально и постоянно в центральной зоне детали и далее плавно меняется в соответствии с некоторым законом, характерным для случая с максимальной толщиной в центре.
Каждому дискретному значению г і при постоянстве остальных параметров соответствует распределение толщины по поверхности детали. Аналогично на рис. 3.8.2 представлены профили толщины, определяемые управляющим параметром h - расстояние от плоскости испарителя до диафрагмы D\, который изменяется от Л=430мм до й=485мм с шагом ДЛ=5мм. Из рис. 3.8 следует, что каждый параметр по-разному оказывает влияние на распределение профиля толщины. Из полученных распределений (рис. 3.8) можно получить некоторые зависимости, характеризующие распределение толщины слоя по поверхности подложки от изменения тех или иных параметров.
Изготовление многослойных диэлектрических систем
Процесс нанесения покрытий состоит из ряда последовательно выполняемых операций: 1. подготовка вакуумной камеры: 1.1 замена загрязненной алюминиевой фольги, закрывающей подколпачную арматуру, предварительно обезжиренную бензином "Галоша" и этиловым спиртом; 1.2 механическая чистка загрязненных элементов оснастки, с последующей протиркой и обезжириванием; 1.3 установка в камеру элементов оснастки; 1.4 загрузка испарителей испаряемым веществом. 2. подготовка подложки или подложек: очистка подложки от грязи и жиров с использованием протирочных материалов, ацетона и т.д. в зависимости от типа подложки и для окоЕічательной очистки - смеси петролейного эфира с 96% или 98% спиртом (объемная доля эфира 88-90% и спирта 12-10%). 3. Подготовка вакуумной установки к работе и проведение осаждения: 3.1 включить электропитание, подачу воды в систему охлаждения, подачу сжатого воздуха в систему воздушных магистралей; 3.2 произвести откачку магистрали предварительного разрежения, одновременно включить нагрев печки диффузионного насоса; 3.3 откачать вакуумную камеру до давления »1Па и обработать поверхность подложек тлеющим разрядом; 3.4 откачать камеру до давления необходимого для проведения осаждения; 3.5 при необходимости, включить прогрев подложек с включением вращения подложкодержателя; 3.6 прогрев испаряемого вещества под заслонкой; 3.7 нанесение слоя (слоев) пленкообразующего вещества на поверхность подложки; 3.8 разгерметизация камеры после предварительной выдержки подложки с покрытием в вакууме.
Устройство, представленное на рис. 4.1, работает следующим образом. Оснастка 7 устанавливается в вакуумную камеру и закрепляется на подложкодержателе 4. В посадочное место крепежного элемента 8 устанавливается оправа 9 для подложки, соответствующая диаметру подложки, в посадочное место пластины 11 - диафрагма 12. Диаметр диафрагмы 12 и длина стержней 13 выбираются в зависимости от заданного профиля толщины слоя покрытия. Предварительно перед осаждением в оправу 9 устанавливается круглая точечная диафрагма с диаметром отверстия менее 1 мм, и производится юстировка оснастки, используя источник света блока фотометрического контроля толщины 15. После проведения юстировки точечная диафрагма вынимается и подложка 10, на которой необходимо сформировать слой с переменным профилем толщины, устанавливается в оправу 9, жестко связанную с крепежным элементом 8 оснастки 7. Испаритель 2 загружается испаряемым
веществом. Далее проводится откачка вакуумной камеры до давления «Ша, при котором, если это необходимо, проводится очистка поверхности подложек тлеющим разрядом с помощью ионизатора 14. После очистки подложки камера откачивается до давления достаточного для проведения осаждения, включается вращение подложкодержателя 4 и, соответственно, диафрагмы и подложки. Диафрагма и подложка вращаются в одну сторону. Включается прогрев испаряемого вещества в испарителе 2 под заслонкой 3. После прогрева вещества заслонка 3 открывается и начинается процесс осаждения.
Рассмотрим процесс изготовления многослойных диэлектрических систем с переменным отражением. Например, на плоскопараллельной стеклянной пластине диаметром 52мм необходимо получить оптический элемент со следующим распределением коэффициента отражения: в центральной зоне, ограниченной диаметром 0COH«W18MM - /?о 54%, далее вдоль радиальной координаты подложки в зоне, ограниченной диаметрами 18 и 40мм, коэффициент отражения изменяется по закону на рис. 4.2.3 от 54% до лО.5%. В зоне, ограниченной диаметрами 40 и 50мм, величина коэффициента отражения постоянна и равна «0.5%.
Так как толщина первых двух слоев от подложки постоянна, то процесс осаждения проводится последовательно в соответствии с вышеизложенными пунктами 1-3 (стр. 102, 103) без использования оснастки. После напуска воздуха в камеру подложка с покрытием вынимается из камеры и начинается подготовка к нанесению слоев с переменным профилем толщины п. 1.3: установка оснастки в вакуумную камеру, проведение ее юстировки. В случае необходимости, выполняется п. 1.4.
Для проверки способа формирования покрытий с переменным профилем толщины с использованием разработанной оснастки, необходимо было получить многослойные диэлектрические системы с рабочей длиной волны, находящейся в видимом диапазоне, для того чтобы в дальнейшем провести исследование R(p) данных зеркальных систем. При проведении эксперимента в соответствии с пунктами 1-3 были изготовлены две тестовые зеркальные системы (4Л), одна из которых должна обеспечить заданное распределение коэффициента отражения в
