2. Выбор подложек, пленкообразующих материалов и оборудования для нанесения интерференционных фильтров.

1. Выбор материала подложек.

При изготовления подложек оптических фильтров для видимой области спектра рекомендуется использовать следующие марки бесцветных оптических стекол (таблица 1.2).

Таблица 1.2

Наименование материала Марка стекла	Показатель преломления	Область прозрачности, мкм
Стекло кварцевое оптическое КВ	1,46	0,4-0,75
Стекло оптическое бесцветное К8	1,52	0,4-2,0

Подложкой для интерференционных фильтров может служить материал с минимальным поглощением излучения в области рабочей зоны. В основном для изготовления подложек используются стекло К8 и кварцевое стекло КВ.

1.2.2 Пленкообразующие материалы.

Материалы, наиболее часто используемые для нанесения оптических фильтров для видимой области спектра ,представлены в таблице 1.3:

Таблица 1.3

Наименование	Способ испарения	Усл. обозна- чение	ne	Область использования 1-2, мкм
Криолит для оптических целей	И	23	1,35	0,4-1,3
Магний фтористый для оптич. целей	И	24	1,32	0,4- 1,3
Титана двуокись для тонкопл. покр.	ИЭ	88	2,2	0,43-0,90
Титана моноокись для оптич. целей	ИЭ	89	2,2	0,43-0,90
Цинк селенистый для интерф. покрытий	И	39	2,35	0,6- 25,0
Цинк сернистый для интерф. покрытий	И	29	2,15	0,4-25,0
Иттрий фтористый	И, ИЭ	97	1,56	 0,3
Двуокись кремния для оптич. целей	И, ИЭ	41	1,46	0,2-8,0
Двуокись циркония для оптич. целей	И, ИЭ	57	1,95	0,35-7,0
Двуокись церия для оптич. целей	ИЭ	56	2,4	0,4-16

Для более подробного рассмотрения разделим все вышеперечисленные материалы на отдельные группы в соответствии с их химическим составом.

• Фториды и другие галогениды.

Галогениды и, в частности, фториды принадлежат к классу материалов, которые легко испаряются и конденсируются, сохраняя стехиометрию. Они используются в оптике с момента первого применения диэлектрических пленок в качестве просветляющих покрытий.

Криолит Na₃AIF₆ и магний фтористый MgF₂ находят исключительно широкое применение в качестве материалов для покрытий. Эти вещества легко испаряются из танталовых или вольфрамовых лодочек, а также при помощи электронно-лучевого испарения. Пленки Na₃AIF₆ и MgF₂ используются в диапазоне длин волн от 115 нм до 4 мкм (верхний предел обусловлен появлением трещин в четвертьволновой пленке на этой длине волны); кроме того до 4 мкм в пленках отсутствует поглощение.

Механические и химические свойства пленок Na₃AIF₆ и MgF₂ в основном зависят от их плотности. Пленки с высокой плотностью, полученные при температуре подложки 300С или путем отжига после осаждения, очень стабильны, тверды и обладают хорошей адгезией. Они удовлетворяют всем необходимым требованиям, предъявляемым к просветляющим покрытиям, и поэтому используются в качестве многослойных покрытий или в качестве пленок с низким показателем преломления в многослойных просветляющих покрытиях. Пленки MgF₂ очень часто применяются в комбинации с сернистым цинком ZnS.

• Сульфиды и селениды.

Цинк сернистый ZnS является стандартным материалом оптических покрытий для видимой и ИК-области спектра. Пленки ZnS часто используются в комбинации с пленками фторидов типа MgF₂ и криолита, обладающими низкими показателями преломления.

Пленки ZnS обладают высокой относительной плотностью. Стабильность пленок ZnS, в частности определяемая адгезией, сильно зависит от чистоты и способа предварительной обработки. Материал ZnS испаряется при температуре  1200С. При нагреве сернистый цинк диссоциирует на Zn и S. При конденсации Zn и S вновь ассоциирует в ZnS. Подобный механизм объясняет сильную зависимость коэффициента конденсации от температуры подложки.

Цинк селенистый ZnSe по своим характеристикам во многом аналогичен цинку сернистому. Его недостатком является наличие поглощения в коротковолновой части видимого диапазона (до 0,46 мкм), а преимуществом- высокий показатель преломления (n_е = 2,65 при = 550 нм). Пленки ZnSe используются в производстве лазерных зеркал.

• Окислы

Окислы представляют собой очень важную группу материалов для оптических покрытий, поскольку они обладают высокой механической прочностью и химической стабильностью.

Процесс изготовления окисных пленок более сложен, чем пленок фторидов или сульфидов, так как большинство окислов взаимодействует с материалом тиглей или диссоциируют при высоких температурах, необходимых для испарения. Тем не менее технология испарения пленок, такая как испарение электронным лучом позволяет получить окисные пленки высокого качества.

Для покрытий с низким показателем преломления используется пленка двуокись кремния SiO₂. Промежуточное значение показателя преломления имеет пленка моноокись кремния SiO, а также материалы как двуокись церия CeO₂ и двуокись титана TiO₂ , обладают высокими показателями преломления.

Лучшим способом получения пленок SiO₂ является испарение двуокиси кремния электронным лучом. Для получения плотных и стабильных пленок подложку необходимо нагревать до 150С. Также пленки SiO₂ получают реактивным испарением моноокиси кремния SiO в ионизированном кислороде. Пленки SiO₂ прозрачны в области от 200 нм до 9 мкм. Коэффициент преломления n_е =1,48 при  =550 нм. Эти пленки, осажденные на горячие подложки, обладают высокой относительной плотностью, хорошей адгезией и высокой механической и химической стабильностью. Они часто используются в многослойных покрытиях в комбинации с окисными пленками, с высокими показателями преломления.

Пленки SiO имеют n_е=2 в видимой области спетра. Пленки обладают высокой механической и химической стабильностью и являются прекрасными покрытиями для видимого диапазона.

Двуокись титана TiO₂ имеет большое значение как материал с высоким показателем преломления. Пленки тверды, имеют хорошую адгезию и химически устойчивы. Пленки прозрачны в видимой и ближней ИК-области спектра. Показатель преломления ТiO₂ колеблется в пределах 1,9 n_е 2,8 , столь большие различия объясняются в основном различием температур подложки при осаждении пленок. Пленки ТiO₂ в комбинации с SiO₂ широко применяются для изготовления стоп для видимого и ближнего ИК-диапазона спектра, зеркала холодного света, ИК-зеркала, лазерные зеркала.

1.2.3 Оборудование для нанесения интерференционных фильтров.

Для нанесения оптических фильтрующих покрытий в основном используют физические методы.

Физический метод нанесения тонкопленочных оптических покрытий включает в себя испарение пленкообразующих материалов в вакууме. Для этого используются вакуумные установки типа ВУ-1, ВУ-2М.

Вакуумная камера должна быть обеспечена: подколпачной оснасткой: каруселью для вращения деталей, токовводами для испарения материалов термическим методом и методом электронно-лучевого испарения, фотометрическим контролем толщины пленки, заслонкой для прерывания напыления вещества, нагревателем подложек и контролем температуры подложки.

Существуют различные способы испарения пленкообразующих материалов в вакууме в зависимости от температуры плавления материала.

 Метод термического испарения в вакууме.

1- вакуумная камера;

2- тоководы;

3- резистивный испаритель;

4- пленкообразующий материал;

5- поток испаряемых частиц пленкообразующего материала;

6- нагреватель подложки;

7- оптические детали - подложки;

8- оптические покрытия -пленки;

9- уплотнители;

10 – заслонка.

Описываемый способ основан на испарении веществ в высоком вакууме с последующей конденсацией пленкообразующих веществ на поверхности, служащей подложкой. Процесс испарения и осаждения на подложку осуществляется в камере, где поддерживается вакуум порядка 1,33*10^-3 Па . Это необходимо для того, чтобы прямолинейно летящие атомы испаряемого вещества могли свободно оседать на подложке, не испытывая дополнительных столкновений с остаточными газами.

Этим методом наносятся материалы, температура испарения которых не превышает 1250С. К ним относятся фториды (MgF₂, Na₃AIF₆), легкоплавкие металлы (Al, Cu), сульфиды и селениды (ZnS, ZnSe). Эти вещества испаряются с помощью проволочной спирали или лодочки, представляющей собой ленту тугоплавкого металла с соответствующим углублением, куда помещается вещество. Проволочные спирали и лодочки изготавливаются из вольфрама, молибдена, тантала.

Достоинствами этого метода являются: простота применения оборудования, малая энергоемкость процесса, а также возможность одновременного нанесения нескольких материалов в одном технологическом цикле.

Недостатком является ограничение в применении материалов из-за температуры испарения (Т_исп  1250С ), иначе при более высокой температуре из материала испарителя тантала, молибдена, вольфрама, начинают испарятся атомы, которые загрязняют подложку.

 Метод электронно- лучевого испарения пленкообразующих материалов.

1- медный тигель;

2- пленкообразующий материал;

3- тепловой экран;

4- зона расплава пленкообразующего материала;

5- поток испаряемых частиц;

6- нагреватель подложки;

7- оптическая деталь (подложка) с наносимым покрытием;

8- подложкодержатель;

9- электронный пучок;

10- электронная пушка.

Сущность метода заключается в испарении пленкообразующих материалов в виде таблеток путем расплавления наносимых материалов остросфокусированным электронным лучом. Удельная мощность пучка

q= 1кВт/мм², температура испарения Т= 1100-3000С.

Этот способ используется для испарения тугоплавких окислов (SiO₂, AL₂O₃, ZrO₂ и т.д.)

Достоинства этого метода: широкий диапазон распыления материалов и нанесение их в более чистых условиях без загрязнения материалом, из которого сделан тигель.

Недостаток: сложное электронно-лучевое оборудование, требующее более высококвалифицированных операторов.

1.3 Технологический процесс изготовления

интерференционных фильтров.

010- очистка подложек;

020- подготовка вакуумной камеры;

030- ионная очистка подложек;

040- нагрев подложек до фиксированной температуры;

050- нанесение пленкообразующих материалов;

051- нанесение материала с высоким показателем преломления;

052- нанесение материала с низким показателем преломления;

060- разгерметизация вакуумной камеры, выгрузка готовых изделий;

070- контроль оптических параметров покрытия.