Просветляющие покрытия для ИК-области спектра

ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Ахмад Хафез, Л.А. Губанова

Расширение спектрального диапазона работы оптических приборов в длинноволновую область спектра приводит к необходимости разработки покрытий для ИК диапазона. Решение данной задачи связано с рядом технологических сложностей, обусловленных свойствами материалов, из которых изготавливаются оптические детали, прозрачные в ИК диапазоне, пленкообразующих материалов, используемых для интерференционных покрытий в этой области спектра, толщиной диэлектрических покрытий и контролем слоев в процессе формирования покрытия.

В ИК области спектра используются, наряду с бескислородными стеклами, водорастворимые кристаллы, что приводит к некоторым особенностям при их подготовке для нанесения слоев и в процессе эксплуатации деталей. Особое внимание при создании покрытий для ИК диапазона уделяется прозрачности пленкообразующих материалов в этом диапазоне и их однородности по химическому составу. Наличие воды в пленках приводит к значительному снижению пропускания в области спектра от 2 до 3 мкм, поэтому при разработке антиотражающих покрытий для ИК области спектра необходимо проводить анализ пленкообразующих материалов с точки зрения их работоспособности в ИК диапазоне.

В работе приведен анализ контроля толщины слоев в процессе формирования покрытий, работающих в ИК области спектра. Наиболее часто используемый в настоящее время фотометрический контроль по экстремумам [1] при большой толщине слоев не обеспечивает желаемой точности при изготовлении покрытий для рассматриваемого диапазона спектра. В работе представлен контроль, обеспечивающий увеличение точности изготовления толщины слоев, формирующих покрытие, и позволяющий использовать стандартную систему фотометрического контроля СФКТ-751, которой снабжены промышленные вакуумные установки типа ВУ-1А.

Для получения пленки оптической толщиной пй, где п - показатель преломления материала, из которого формируется данный слой, а й - его геометрическая толщина, при фотометрическом контроле по фиксации экстремумов обычно выбирают контрольную длину волны из условия Хо = 4хпй [1]. На точность контроля в этом случае большое влияние оказывают разность между показателями преломления среды, на которой формируется покрытие, и пленкообразующего материала, чувствительность фотоприемника и ряд других факторов. Осаждение слоя в этом случае прекращается после достижения экстремума. В районе экстремума пропускание (отражение) в зависимости от толщины слоя изменяется медленно, поэтому фиксация требуемой толщины осуществляется со значительной ошибкой. Для увеличения точности получения заданной толщины слоя возможно вести контроль на

V л пй

длине волны, которая в несколько раз меньше, т.е. А0= 4 х —, где т - некое целое

т

число, если А0 находится в области прозрачности пленкообразующего материала.

Тогда область, в которой наблюдается незначительное изменение пропускания (отражения), соответственно уменьшается.

Докажем справедливость этого утверждения. Пропускание интерференционной пленки в общем виде может быть представлено следующей функцией:

т =_1_,

А + В сов2ф

где ф = ^^ пй - фазовая толщина пленки, А и В - параметры, характеризующие А

систему "полубесконечная среда - тонкий диэлектрический слой - полубесконечная

среда". Условие экстремума - это обращение в ноль производной дТ . Для поиска

д

длин волн, соответствующих экстремумам отражения (пропускания), воспользуемся

функцией О = 1/Т , О = А + В соб ф, где А и В - некие величины, не зависящие от ф.

ДО ДТ Учитывая, что-=--, имеем

ОТ

дО 2п

- = -2Вб1п 2ф х — .

д(пё) X

Нас интересует ситуация, когда оптическая толщина пленки близка к Хо/4, т.е. когда ф = кп+Дф, где к - целое число, а Дф - отклонение в фазовой толщине.

дО

= 2В^ яп Дф «2В^ Дф = САф.

X X X

л0 0

д

где С - некая постоянная величина. С учетом ранее изложенного справедливо

ДТ Дф . X0 ДТ , Л0 ДТ, соотношение-= С—— или Дф = —---, т.е. ошибка ( —---) в толщине

Т X 0 С Т С Т

контролируемого слоя пропорциональна длине волны, на которой проводится контроль, и обратно пропорциональна изменению пропускания. Поэтому при замене

Х0 на Х0= — изменяется точность контроля. Если имеет прежнее значение, то т Т

точность контроля изменяется в т раз. При выборе значения Х0 необходимо

учитывать оптические параметры контрольного образца, чувствительность

фотоэлектрического приемника и порядок дифракционной решетки.

Рис. 1. Изменение пропускания в процессе увеличения толщины слоя сернистого цинка ^пЭ) на подложке из германия при контроле толщины покрытия на длине волны Л = 4000 нм и на подложке из стекла К-8 при контроле толщины покрытия на длине волны Л=500 нм

Наиболее наглядно этот вывод можно проиллюстрировать на следующем примере. Пусть пленка формируется из сернистого цинка ^пБ), и ее геометрическая толщина ^=454,5 нм. Показатель преломления сернистого цинка в ИК области пг=2,2 и в видимой п=2,385. В первом случае фотометрический контроль осуществляется на длине волны X = 4000 нм, и осаждение слоя прекращается при достижении первого экстремума - минимума отражения, в этом случае материалом для детали, по которой ведется контроль, является германий. Допустим, что при прекращении испарения

сделана ошибка AR = 5 %, что соответствует ошибке в геометрической толщине Д^А=54,5 нм. Эту ситуацию иллюстрирует кривая 1 на рис. 1.

Во втором случае фотометрический контроль формирования слоя сернистого цинка осуществляется на длине волны А=500 нм. Контроль проводится по детали, изготовленной из оптического стекла марки К-8 с показателем преломления 1.52, осаждение слоя прекращается при достижении восьмого экстремума. Аналогично предыдущему случаю при прекращении испарения сделана ошибка AR=5%, что соответствует ошибке в геометрической толщине Д^в=10,5 нм. Эту ситуацию иллюстрирует кривая 2 рис. 1.

Также следует отметить, что здесь возникает ошибка из-за дисперсии показателя преломления (Д4,), которая может быть определена следующим образом: Д4,=1000/2,2-1000/2,385=35,25. Очевидно, что Д^ц+Д^в = 35,25 + 10,5 меньше, чем ДёА = 54,5.

Данные исследования были направлены на проведение анализа возможностей увеличения точности контроля при изготовлении слоев, формирующих покрытия для ИК-области спектра. В результате показана методика выбора длины волны для контроля слоев, формирующих покрытия, работающие в ИК-области спектра и обеспечивающие минимальную ошибку в толщине слоя.

Работа выполнена в рамках проекта "Формирование световых пучков высокой яркости для лазерных технологических систем".

Литература

1. Берндт К.Г. Методы контроля и измерения толщины пленок и способы получения пленок, однородных по толщине // Физика тонких пленок / Под редакцией Г. Хасса. Том 3. М.: Мир, 1968. С.7.