Конденсацией называется процесс перехода материала из
газообразной фазы в твердую или жидкую. При конденсации на
подложке образуется пленка испаряемого материала.
Скоростью конденсации называется количество молекул, которые
в единицу времени осаждается на поверхности подложки.
Конденсация зависит от многих факторов, основными из которых
являются температура подложки и плотность потока паров испаряемого
материала.
Чем выше температура подложки и ниже температура испарения
материала, тем вероятнее вторичное испарение молекул пара с
поверхности подложки. Поэтому для каждого материала существует
критическая температура подложки,
Критической температурой подложки называется такая
температура, выше которой атомы испаряемого материала полностью
отражаются от подложки и конденсации пленки не происходит. Она
зависит от многих факторов: природы конденсируемого материала и
подложки, степени чистоты подложки» а также от плотности потока
паров испаряемого материала. Повышение плотности потока паров
приводит к значительному увеличению критической температуры
подложки.
Критической плотностью потока паров при фиксированной
температуре подложки называют плотность, ниже которой конденсации
пленки не происходит.
Практическая часть.
Цель практической части лабораторной работы - изучить
технологический процесс нанесения двухслойного просветляющего
покрытия.
Меры безопасности.
При эксплуатации вакуумной установки существует вероятность
возникновения следующих опасных и вредных факторов:
• Повышенная запыленность и загазованность рабочей зоны;
• Опасность поражения электрическим током при контакте с
токопроводящими частями вакуумной установки;
• Статическое электричество, которое может оказаться на любой
металлической части вакуумной установки;
• Повышенная температура наружной поверхности нагревателя
диффузного насоса.
Обслуживающий персонал обеспечивается спецодеждой: халатом,
шапочкой из хлопчатобумажной ткани, тапочками на кожаной подошве.
Электронно-лучевой испаритель с блоками питания, входящий в
вакуумную установку, представляет собой сложную электронную
систему, эксплуатация которой требует квалифицированного
обслуживания. Обслуживающий персонал обучается правилам
технической эксплуатации и безопасности обслуживания
электроустановок с напряжением выше 1000 В. Эксплуатация и
профилактика испарителей и блоков питания осуществляется под
руководством инженера или техника, умеющего производить наладку
как системы в целом, так и отдельных ее частей.
При работе с электронно-лучевым испарителем оператор должен
помнить о том, что применяемые в нем напряжения являются опасными
для жизни.
При техническом обслуживании вакуумной установки
разрешается: произведение замены предохранителей после снятия
нагрузки и напряжения. В исключительных случаях допускается
замена предохранителей под напряжением, но при снятой нагрузке. При
этом работа производится в диэлектрических перчатках и защитных
очках.
Контроль за работой вакуумной установки осуществляется по
показаниям приборов и манометров на ресивере и установке.
Перед извлечением деталей из вакуумной камеры производится
одно-, трехразовая прокачка для удаления, аэрозолей пленкообразующих
материалов.
При открывании вакуумной камеры пользуются респираторами.
В случае аварийной ситуации вакуумная установка
отключается от электросети, совместно с компрессором воздушной
системы, выпускается сжатый воздух и докладывается руководителю.
2.2. Порядок выполнения работы.
|
Конструкция двухслойного просветляющего покрытия:
Просвета. 88 ИЭ 41 ИЭ 250°C
560±20 нм
0,0299
380-780 нм
Материал подложки: ЛК - 5 ГОСТ 3514-76
nс= 1,482.
88-ТiO2; 41-SiO2
ИЭ - метод электронно-лучевого испарения в вакууме.
ТПОДЛ. =250°С
Вакуумная установка для нанесения покрытий - ВУ-1А.
Технологический процесс нанесения двухслойного
просветляющего покрытия включает следующие основные операции:
010 Очистка подложек
020 Подготовка вакуумной камеры
030 Ионная очистка подложек
040 Нагрев подложек до фиксированной температуры.
050 Нанесение оптических покрытий:
051 Нанесение оптического покрытия ТiO2
052 Нанесение оптического покрытия SiO2
060 Разгерметизация вакуумной камеры, выгрузка готовых
изделий.
070 Контроль оптических параметров покрытия
Содержание операций:
010 - Очистка подложек: подложки из стекла ЛК - 5 ГОСТ 3514-
76 обезжиривают в смеси петролейного эфира и этилового спирта в
соотношении 75% - 25% и окончательно протирают тампонами
обезжиренной ваты, смоченной в абсолютном этиловом спирте.
Очищенные детали протирают обезжиренными батистовыми
салфетками. Готовые детали вставляют в съемные оправы
подложкодержателя и с их поверхностей беличьей кисточкой удаляются
ворсинки. Очищенные детали в оправах загружают в
подложкодержатель, и подложкодержатель устанавливается в вакуумную
камеру. При выполнении этой операции оператор должен работать в
резиновых перчатках или напальчниках.
020 - Подготовка вакуумной камеры происходит параллельно с
операцией 010:
- очистка элементов подколпачной аппаратуры (экранов,
испарителей, заслонов) от пленок испаряемых материалов и протирку их
спиртом.
- загрузка исходных пленкообразующих материалов в испарители
(SiO2 и ТiO2 в виде таблеток в 2х позиционный тигель электронно-
лучевого испарителя - ЭЛИ).
- загрузка подложкодержателя с очищенными оптическими
деталями
- проверка работоспособности механизмов и устройств вакуумной
камеры; вращение подложкодержателя, перемещение заслонок, работа
фотометра.
- откачка камеры до давления примерно 2 Па.
030 - Операция ионной очистки подложек проводится в камере
(р=2...1.38 Па) в течение 5-10 минут при напряжении 500 В на электроде
ионной очистки и токе разряда 150-200 мА. При этом включается
вращение подложкодержателя с частотой п =10-20 мин-1. В процессе
ионной очистки ионами остаточных газов с поверхности удаляются
пылинки и молекулы тяжелых газов. По окончании ионной очистки
камера откачивается до Р =10-2 -10-3 Па.
040 - Нагрев подложек до фиксированной ТПОДЛ=2500С происходит
в высоком вакууме при одновременном вращении подложкодержателя.
При этом с поверхности оптических деталей удаляются пары воды и
молекулы легких газов. Время нагрева 5-15 минут.
050 - Нанесение оптического покрытия начинают после
обезгаживания пленкообразующих материалов при закрытой заслонке.
Для этого материал нагревают до температуры на 100°С ниже, чем Тисп.
В процессе прогрева давление вакуумной камеры повышается, а потом
понижается до Р = 10-3 Па. Обезгаживание считается законченным, когда
давление восстанавливается до первоначального значения. Далее
включают фотометр, выводят ЭЛИ на режим испарения, открывают
заслонку и проводят испарение материала, фиксируя параметры
электронной пушки. Контроль за нанесением испарителя ведут по
фотометру. При нанесении просветляющих покрытий метод контроля на
пропускание, сквозной, т. к. m < 3, и экстремальный.
051 - Нанесение оптического покрытия TiO2
Режимы нанесения пленки:
ИЭ Р=10-3Па
ТИСП=1750°С
Тподл.=2500С
U=6кВ
IH=10-12A
Iэм=10-20мА
052 - Нанесение оптического покрытия SiO2.
ИЭ Р=10-3 Па
ТИСП=1600°С
Тподл.=2500С
U=6кВ
IН=10-12А
IЭМ= 10-20 мА
060 - Разгерметизация вакуумной камеры: после окончания
процесса нанесения выключается нагрев подложек и вращение
подложкодержателя. При снижении Тподл до 50°С камера отсекается
высоковакуумным затвором от высоковакуумной системы откачки,
производится напуск воздуха, открывается вакуумная камера и
производится выгрузка оптических деталей в специальную кассету.
070 - Контроль оптических параметров покрытий. В связи с
проведением группового технологического процесса нанесения
покрытий на контроль попадают от 2 до 3 штук из партии, проверяют
параметры на фотометре СФ-8 или СФ-4 и сравнивают
полученные характеристики с расчетными. Определяют группу
механической прочности на установке СД-500.
Расчетный график зависимости коэффициента отражения покрытия от
длины волны.
3. Контрольные вопросы.
1. Физическая сущность эффекта просветления с помощью тонкой
оптической пленки.
2. Оптические параметры просветляющих покрытий и их обозначения
по ГОСТу.
3. Методы нанесения просветляющих покрытий и их сравнительная
характеристика.
4. Сущность метода термического и электроннолучевого испарения в
вакууме.
5. Сущность метода катодного распыления в вакууме
6. Влияние технологических параметров на физические свойства
просветляющих покрытий.
7. Методы контроля просветляющих покрытий во время и после
нанесения пленок.
Литература.
1. Фурман Ш.А. "Тонкослойные оптические покрытия" Л:
Машиностроение 1977 г. -264 с.
2. Яковлев П.П. Мешков Б.Б. " Проектирование интерференционных
покрытий " - Библиотека приборостроителя. М. Машиностроение.
1987 г.
3. Лаврищев А. П. " Технология тонкослойных покрытий " М:
Машиностроение. 1983 г. - 184 с.
4. Справочник технолога - оптика. Под редакцией Кузнецова С.М.,
Окатова М. А., Л: Машиностроение. 1983 г. - 414 с.