автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка методов и средств масс-спектрического контроля технологии вакуумного напыления оптических покрытий

МЙЖСТВР0Т30 НАУКИ, ВЫСДПй ПЕОЛЫ И ТЕХНШЗСШ ПОЛИТШ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САШ-ПЗТЕРБЗГРХШЙ ИНСТИТУТ ТОЧНО/! Г.1ЕХАНИКИ и оптики

Р«_ОД--------------------------------------———-

_ На правах рукопиои

> 0 ;-дн

СКВОРЦОВ Николай Николаевич

УДК 681.7.066:621,384,8

РАЗРАБОТКА. ШСЩОЗ И-СРЗДСТВ 1,1АСС-СПЕКТР0?ЖРЖСК0Г0 КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ ОПТИЧЗСККХ ПОКРЫТИЙ

05.11.07 - Опглческие а оптико-электронные приборы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском института точной механика и оптики и Санкт-Петербургском институте кино и телевидения 4

Научные руководители - доктор технических наук, профессор - ПУТШК э.а.,

доктор'физкко-ыатеглатдческйх наук, профессор УСТИНОВ Ю.К.

Официальные оппоненты - доктор"технических наук, профессор

ПЗРВЕЗВ А.Ф.,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник КШШШЗЗЦ Т.Н.

Ведущая организация — ЛОМО ш.В.Й.Ленина.

Защита диссертации состоится "27 " иЮНЯ 1994 г, в " 15°°" часов на заседании специализированного совета Д 053.26,01 "Оптические приборы" при Санкт-Петербургском институте точной механики и оптика (197101, Санкт-Петербург, ул.Сабдкнская, 14).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " Ш " МС<Д 199-4 г,

;чо ни» ^зу.ретаэь опеипг-лнзиповшшого совета Д 053.26.01

кандидат.технических наук,

доцент

,

^ I В.М.Красавцев

- 3 -

ОЗДАЯ Х".?А:^."?7-СТШ РАБОТЫ

Актуальноеть темь:. Качество и вадёяноегь передачи изображения в1 оптических системах во многом связаны с качеством л надежностью покрктий на поверхности оптических деталей; К на-стогх\е:<:;! ирокеза нахоплон достаточно пярокий спектр типовых конструкций покрытий к технологи:: их Изготозления, обеспечивающих. получение на оптических элементах прооветлящях, отражающие, спектоодэлителышх, конверсионных, защитных, $%ш!рующй)С. и кнкх спецаглизироЕаннкх покрытий. Современные технологии изготовления многослойных оптических систем базируются, глазным образом, на вакуумных методах нанесения, покрыт:-:;! и требуют нанесения на поверхность -де?ал:! тонких слоев пленкообразующих матосяолов (ГЮГЛ) с воспроизводимыми, заранее заданньки параметра,гл.

При синтезе интерференционных покрытий в расчет, как правило, закэдыасюгоя оптические характеристики са*лдго ПОМ, или же некоторые усредненные значения показателен-преломления и поглощения гонках слоез этого материала, полученные в сходных условиях нагл:ле.чия. Пр:; практической реализация' конструкции используемые технологии зачастую не позволяют учесть специфику нглклония отдельных слоез, что приводи? к отличию реально получаемых характеристик слоя от расчетных и, как следствие; к отклонений свойств готового покрытия от расчетных. Задача оптимизации технологии нанесения оптических покрытий, т.е. задача нахождения такой последовательности действий и операций, которые обеспечивают реализацию на поверхности детали слоистой систем* с характеристиками, наиболее близкими к расчетным, решается, как правило, путем эмпирического подбора (варьирования) параметров процесса напыления. Помимо того, что эмпирическая оптимизация технологии требует немало времени, отот путь не позволяет реаить одну из основных проблем отрасли - проблему воспроизводимости свойств наносимых покрытий.

Научно обоснованную модернизацию и оптимизация существующих технологий закуумного напыления, а такке создание и разработку принципиально новых технологий (основанных, например,, на одновременном напылении разных ПОМ на одну подложку или на иных новых принципах) невозможно осуществить Озз разработки методов

и систем контродах параметров вакуумного нападения. В это» связи чрезвычайно з&кное значение приобретает возможность объективно контролировать к фиксировать условия напыления покрытий, в том числе состав газо-даровол базы,

Уиавэрсодьякй метод маос-спектроаетраческого анализа хорошо согласуется с технологией вакуумного шшлзввя, так как необходимое условие масо-аналкза - перевод анализируемого материала з паровую фазу - является'к непременна,! условие;,I вакуумного нанесения■покрытий, Метод масс-спактрометоии позволяет оперативно получать прямую иафоркавдю о динамическом соотаве газопаровой фазы яра напылении, исследовать особенности испарения ПОМ, а Техасе ставить -а решать задачу управления составом потока напылен:: я.

Цель настоящей работы состояла в разработке методов и оредстз касс-спектронотркчеокого контроля технологии вакуумного нанесоакя покрытий ц применении систолы масс-споктромет^лческо-го.контроля для исследования электронно-лучевого испарения (ЭЛИ) ряда ПО;,! и поиска -корреляции-между оптическими характеристиками покрытий и составом потока напыления. ■'

Задачи пабртк. Для достижения сформулированной цели било необходимо расам» следующие задач:::;

• I. Изучить возможность использования шсс-сцектрометрик для исследования потока напыления ПО:,; в лоомькшенних условиях,

: 2, Разработать методические приемы использования масо-спектоометрачзской техники для исследования и контроля процесса вакуумного испарения ЛОМ. '

3. Реализовать метод тсс-спектрометричоокого контроля в условиях, близких к промышленным; создать макет ыасс-спектро-.метрической сметами контроля технологий вакуумного напыления.

4. Экспериментально изучить особенности ЭЛ!-1 ряда широко используемых ПОГЛ в условиях, близких к условия1д напыления оптических покрыта!: на производства,

5. Установить на основании получениях данных взаимосвязь между условиями напыления-и оптическими свойствами получаемых покрытии.

6. Использовать опыт, полученный при работе с шкетом масс-спектрометрнческой системы контроля, для выработки технических треоозйнип к автоматизированной системе контроля и управления технологическим процессом, базирующейся ка масс-сп -ктрометраче-

ском датчике, предназначенной для получения похрнтий с задан-11Ш.В этическими характернотиках-,.

Методи исследования, Для рзреная поставленных задач использовались следуищиэ методы!

- оастематачоскии анализ и обобщанаа литературных данных о цель» использования достэгвиПй в областях ?ласо-спектромзтрй-чсско:!' техники, выоокотзыверагуряой масс»спвхтроштрии, технологи;; оясачеоювс деталей для выбора оптималышз; технических роиоиий, а также с дслыо выявления перспектив развития теми;

- универсальный метод пасс-спзктро.\:етраческого анализа, адаптированный к анализу состава подхояначной атмосфера и пото» ка налкязния ЕОЦ при ЭЛИ з условиях, близких к условиям нанесения оптических покрытий-аа производстве;

- эллЕпсс:-.;от?ическае и спектрофотометрические глетодь: определения оптических характернотан тонких пленок с целыз установления корреляций между условиями напыления к свойства:.:;: нанося-; мых слоев.

Науччая новизна, Научную новизну работы определяют:

- Оригинальные методические прпеш, позволяющие использовать масс-спектрометрическую технику непосредственно' в условиях напыления оптических покрытий и получать яри этом объективную, количественно сопостазиглуп информацию о потоке напыления.

3 частности, получено выражение, позволявшее- оценивать стабильность потока надкления любого ГШ в условиях, когда мзняэтея чузствитзлы-юсть масс-спектрометра и неизвестны диссоциативные оечения ионизации; авторским свидетельством защищен способ масс-слектрометркчеохого исследования прямого потока наждания диэлектрических покрытий.

- Техническая реализация каос-спектрометричасксго контроля ' потока напыления ПОМ в уоЛоЕИях, близких к условия;,! нанесения оптических покрытий на производстве, что позволяет объективно фиксировать условия нанесения покрытий и является новым средством (инструментом)' научно обоснованной оптимизации вакуумных технологий.

- Проведение'в одинаковых экспериментальных условиях систематического исследования оптических свойств слоев, наносимых при электронно-лучегом испарении Мд^ , 2гОг ( ( , ¿¡.0г , включающего масс-опактрометричеокий анализ подколпачной атмосферы и потока напыления ПОМ.

- о -

Практическая значимость п пекли зацпк результатов оаботьц

- На базе отечественного оборудопанкя создан макет системы масс-опокгроггетраческого контроля процесса вакуумного налы-ланхя,

- 3 условиях, блазквх к реальны;.; условиям ¡¡¡шалопая одек-чоскях сокрцкШ на проязэодогао, проза,:,спи ясолздопап'дя состава потока надалепшт i: его завасакоск: от роажа ясларошу: аюг ПО!,!, дпроко аопользуемых nps "калигена?. оптических п^чрцтлч.

- Накоплен опыт, позволяющий сформулировать гохинчоокао трзбованил к автоматизированной системе .контроля и управлении процессом напыления, базирующейся на шсс-спектром^трлчоском датчике.

- Создана ыа?ертш>нач база для проведения учебных занятий i; лабораторных работ по ваучеаиз студен"таш СДККиТ вахуу:.:-ных технологий нанесения опглчаоках покрытии.

Тег-'а дпссеотацконнох работы была нзпосрздатаскно связана о выполнением хоздоговорных Ш1? Ленинградского института кпяо-.инкекеров: 3 222 - "Технологический процесс пшылевкя усовзр-изнствованних ахромаяцчаских проовотллюдг: аокрцткй"; Г* 260 -"Масс-спекгромегрлчеокоа4исследование состава потока электронно-лучевого испарения опткчёсикх пленкообразующих материалов"; Jí 203 - "Соэданаз сисгеыы авуспатозарогапного масс-спектромст-ричесхого контроля процесса закууиного вавнлейял- элтаческих по-криглй нс. баге ¡ласс-ройлоктроаа". Рззультаты работ водсй з за-рзгнстрнрозакнйе во ВН11ТИЦ научао-гехничеекке отчеты по этим темам. Результаты работк пепелъзовани ?акхо на опийном производства ЦКБК "Экран", в учебно:.: процессе CIlíxn? ц могут попользоваться в научно-псслэдозательскнх учрзкдонглх, заводских лабораториях поп разработка х оптимизации тзхнологиЦ вакуумного напыления.

На зaunту выкроятся:

1. Методика иасс-спектромотричзсхогз анализа газо-парозоц фазы при закуумном напылении диэлгктричоских пленкообразу:од:к материалов.

2. Созданный на базе .v.acc-спектромзтра .'.X 7304 :: установки вакуумного налкде.чия УН, 13 279.011 макет систьмы масс-споктро-кетрнческого контроля технологии вакуумного напилен::я.

3. Результата псслздозанпк Э.^'. к оптических свойств слоев 'фторида кагнзя { MgR ), оксидов циркония-{ 7гСх ), гайния

( H{0V ), «подо ( fih), креиюя ( 5сОг ).

Апробация работк. Основана'научные результаты работы до-кяадозалась а обсуадалясь на 17 Всесоюзной конференции по масс--спектрометрии (Суггы, 1966); на конференциях молодых ученых й специалистов "Теоретическая и -прикладная оптика" (Ленинград,-1986), "Пржснение шюс-опехтроглетрак з биологии и медицине" (Харьков, 1989); на 1-й Зоесо:.?зно:.! секинаре по высокотемпературной кссс-ссектрокбтрхя (Лен:--.нград-11етергоф, 1991), а также"' на научно-технических конференциях Л2Ш1 к киноорганизаци:! г,Ленинграда з 1985-1993 гг. Основные материалы диссертации обоук-деки и одобрены в 1991-1993 гг. на научно-тсхнических семинарах кайзд?:-: технологии оптических деталей я покрытий ШДОО»' а "•" такие на научно-технических соддяарах кафедр физики и оптики -и технологии киноаппаратуры СДПКиТ.

.-■ Публикации. По.результатам выполненных исследований 'и разработок опубликовано 15 яеупвах работ.

'Структура и объег^ работы. Дкссергация состоит из'введения, пяти глаз, заклкчения и списка литература. Обчий объем диссертации составляет 185 страниц машинописного текста, з том числе 40 расунхоз и 10 Таблиц. Список литературы содержит 98 наименований.

.-лРАТКОЗ СОДЗгЕАШЕ Ж'СОЗРТйШ

■ Во введении показана актуальность задачи разработки и создания систем к средств контроля параметров технологического процесса вакуумного.напыления оптических покрытий,'сформулированы .оснознце направления работы для достижения доставленной" задачи, а тагам научные положения и результаты, выносимые на Зада ту.

''.•Первая глава диссортацил посвящена анализу работ, связанных с использование!.: касс-сцектроыетрпческого метода анализа газопарово:! фазы при испарении ПОМ."..

''•Приведен краткий обзор принципов работы статических и динамических !.:ас¿¡-анализаторов, аспользуеинх для исследования потоков напыления и контроля технологически, процессов, брагчи-тельный анализ технических характеристик и возможностей масс-анализаторов показал, что наиболее перспективными для исполвзо- . вания в системе масс-спсктрометрич^кого контроля процесса вакуумного напылеыя являются времяпролётяые и антирезонанскые (квадрупольный и монополярный) масс-анализаторы.

.'Статические (магнитные} -дасс-анализаторы широко используются е .высокотемпературной химки для исследования, пара - в раз-нозооных условиях испарения - при испарении материала из виснной ячейки (ячейки Кнудоена). К настоящему времени прозеде-•ны систематические исследования разновесного испарения многих тугоплавких оксидов и фторидов, а такке большого числа двух- и трехкомпонентньк смесей индивидуальных веяеств. Некоторые из . йсследоааннкх 'веществ используются з качестве ЛОГЛ, *-;нахо при напылении покрытий испарение происходит з существенно не разновесных условиях - с открытой поверхности. Прялое привлечение . экспериментальных данных .по молекулярному составу пара в разновесных условиях для. оптимизации технологии вакуумного напыления представляется.необоснованна, особенно в условиях электронно-лучевого испарения. '

Шешиася з отечественном дагературе данные по дспользоза-.нию масс-спектроматрии для изучения и контроля процесса вакуумного нанесения покрытий показывают, что в таких -работах, как ' правило, анализируется состав остаточных, газов в вакуумной камере,и масс-споктроматрический контроль сводится к отслеживанию высот некоторых массовых линий спектра'остаточных газов. Такого рода мониторинг технологического процесса нападения оправдал только после проведения масс-анзлкза потока напыления при испарении ПО',1.'

Проведенной анализ малочисленных литературных данных об использовании -масс-спектрометрической. техники при исследовании процесса напыления оптически: покрытий показал несистематический, характер подобного ■ рода райот и практичес;си полное отсутствие работ по.маис-спектрометрическому исследованию электрон-йо-лучевого испарения ПШ. Использование масс-анализаторов в системах контроля вакуумных методов'нанесения покрытии'требует системл-дческого изучения особенностей испарения ПШ и разра-■ методик касс-спектромзтричосхого контроля технологического-процесса.

Во второй глазе описаны.экспериментальное установки и методики масс-спектромзтрического анализа, разработанные для изучения электронно-лучевого испарения оптических ПОЛ.

3 камере лабораторного времяпролётного плпульсного масс-спектрометра буди проведены исследования испарения Мд^ п Лг04' под-действием электронной бомбардировки, позволившие

изучить начальные стадии испарения о тих мате риалов.■

.Мокзт системы масс-спектрэметрического контроля процесса ■ напыления оптических покрытии создан на базе монопольного масс-спектрометра Ж 7304 :: установок вакуумного язлшюняя УВ!-3.279.011 и 37 2М. Аналитические возможности серийного Ж ,7304 были расширены за счет модернизации блока- программной- развертки и, охеш регистрации масс-спектров. Использование з системе регистрация масс-слектроз 18-канаЛыюго осциллографа Н 145 позволило ларзлхельно с регистрацяе'п.масс-спектров сиксирозать параметры технологического процесса (ток .туча, давление, положение заслонки и др.), что существенно, повысило оперативность и объективность масс-ачалкза.

Предлагаемые кетодккя калибровки чувствительности масс-спектрометра, определения парциальных давлений остаточных газов, определения величины патока напыления ДШ, оценки скорости испарения ПИ! по массозым пикам остаточных газов, а тайке методика контроля потока напыления с помощью введенного критерия стабильности потока напыления учитывают особенности регистрации в масс-спектре компонент потока напыления:"диссоциативную и кратную ионизацию молекул в ионном источнике, эффект "памяти"-масс-спектрометра по некоторым массам, специфику регистрация газовых ц "однопролётних" молекул. Загрязнение деталей ионного источника и мгес-анслпзатора продуктами испарения ПО.'Л требозало регулярного определения чувствительности масс-спектрометра. Для зтого использовалась методика.калибровки масс-спектрометра по' обще:.:у давлению остаточных газов з вакуумной камере, установки. Способ засставоэла:-г/л чувствительности масо-анализатора защищен, авторским свидетельством.

.:,!аос-спектр газопаровой с,азы содержит полную и объективную информации обо всех частицах, поступающих на подложку в установке закуумного напыления. Однако для определения состава потока' напыления необходимо проводить распифровку масс-спектров, т.е. определять происхождение (иолекулярных предшественников) ионов масс-спектра. Разработанные методические приемы расшиф-.розки масс-спектров ориентированы на использование в условиях напыления оптических покрытий и основаны на шдуляция (периодическом перекрывании заслонкой) потока напыления, а также на использований эталонных масс-спектров и изотопных соотношений хи-

У- ю -

.мичеоках элементов, входящие в состав По:Л. Предложен критерий стабильности потока напыления 5Мс > отражающий отношение числа атомов А к числу атомов В в ибтоке неашенгя пра испарении -соединения 'ЛпВт . позволяет корректно отслеживать изме-

нения состава потока напыления ПО.Л в условиях, когда неизвестны диссоциативные сечения ионизации продуктов испарения.

Для выяснения влияния состава потока напыления на оптические свойства.получаемых слоев проводилось налипание контрольных слоев.с с,;човреианнда масс-контролем состава пара. Оптические свойства получаемых слоев исследовались методами сдектро-фотометрии и эллипсомотрии, Использовался.лазерный эллипсо-метр ЛЭФ ЗГЛ, модели -однородного поглощающего и непогдодающего слоев, а также стандартные модели, входящие в состав компьютерной программы "ЭДИП"«- '

В третьей главе изложены вколарвмантальнне рээультатн, по-' лученные при исследовании электронно-лучевого испарения ряда ПОМ. Большая часть.результатов получена в экспериментальна условиях, близких к условиям напыления оптических покрытий на производстве, •.'

Проведенный анализ' зависимостей отношений массово: линий продуктов испарения фторида магния от температуры вещества и тока бомбардирующих электронов доказывает сильна и диссоциацию -этого НОМ, При'Т <900°0 основным механизмом испарения является електронно-стимулированная десорбция, которая дополняется при более высоких температурах термически;»1, испарением материала. Величину доминирующего в масс-спектре пика Г+ нельзя использовать для контроля скорости испарения из-за эффекта "памяти" масс-анализатора по конам Г* и' НГ*, Индикатором скорости испарения МдГ^ служит величина парциального давления О^, которая превосходно отслеживает изменения тока луча. По;. ,ление кислорода в' объеме установки объясняется химическим взаимодекстви-■ ем фтора (диссоциата .1 1дГг ) с парами воды: 1Гг+111,0АНР+О,, Установлено, что родержание паров воды в подколлачной атмосфере при ЭЛИ существенно не влияет на оптические свойства получаемых слоев Мд^

При ЭЛИ обнаружена полная д-пссоциац: . этого мате-

риала. При испарении оксида адюьгания из ездкой фазы показатель преломления слоев не зависит от предыстории таблетки и достаточно стабилен. (п =1,55+0,01). При испарении &е из твердой фазы

(оксид аяамкния сублимирующийся материал) с.остаз потока напыления и п конденсируемцх слозз зависят от решаема к времени продшос?всвазвего прогрева таблетки. Эксперименты с кристаллами лсйкосапфкра выявили лучауп технологичность этого материала (малое время обозгешиза'ния, хоровая фокусировка электронного пучка) к несколько более высокий п получаемых слоев.

Для всех неследованикс аеиа пленкообразуодкх оксидов характерно уменьазнио содержания кислорода в потоке напыления при увеличении времени испарения. Пошлю диссоциации, испарение оксидов циркония, гафния и кремния сопровождается отгонкой кислорода из таблетки ПОМ, В потоке напыления присутствуют частицы з ионизованном состоянии.

При ЭЛИ 71-0* и 1|[0?. не наблюдается, в отличие от,равновесных ;зловкй испарения, конгруэнтная стадия испарзник: со-, став потока испарения отличается от состава испаряемого материала и заметно меняется-в ходе испарения.. При испарении этих ПОМ обнаружены квазипериодические осцилляции массовых линий продуктов испарения, являющиеся отражением нестабильности истока напыления. Доказано наличие в потока напыления этих оксидов атомов металла в свободном состоянии. В контрольных слоях, полу-' чеяных'при ЭЛИ Н[СЧ а ЬсОг.• поглощение не обнаружено, в то время как слои 1гОг обладали коэффициентом поглощения, лежащем 2 пределах 0,05-0,25..Наименьшее поглощение имели слои 7|-0х , полученные при испарении свежих таблеток, а также ион ступенчатом повышении тока луча во враля.напыления слоя. Дл слоев зависимость л от состава потока хсроло описыва-

ется эмпирическим выражением ' п =2,3-1,5 у , где ^ - это отношение ионных токов НП и ЭДО* в-мае -спектре потока напыления: г 3№%НГ(Г).

3 четвертой лтазе диссертации рассмотрено применение мг -е-га системы масс-слехтрометрическсго контроля паи напылении полупрозрачных хеталдачссчих слоев и нейтральных металл-диэлектричке..их светофильтров, больной плотности с малы.: коэффициентом отражения 112 сс.озе кэрметных пленок Макет показал

свою работос:.'„с "Юность з реальных услэви х вакуукного напыления. Накопленный опыт • дэзнодил.формулировать техническою требования к система масс-оляхтрсметрнческого контроля процесса вакуумного напылек :я ол?;:чч-еках покрытий. ,

.. В пятой главе'обсуждаются результаты работа. Разработан-Яыз .прквш раоаяфромж. касо-спектроз, методики определения парциальных давлондй.а калибровки масс-спектрометра, ориентированные на,йспользование в реальных условиях нанесения покрытий, ..позволяю? объективно §якскрозать'условия напыления покрытий и создают'тем.самда -основу для научно обоснованной оптимизации технологий- вакуушого напияешш.' Шеста о предложенной -методикой оценки, скорости испарения ПОМ по величине массовых . ..паков остаточных газов эти методики позволяют, используя маос-сяекгроматрический контроль только остаточной' атмосферы, получать полезную информацию 'о ходе технологического процесса и •регистрировать зозиикащао особенности, которые.могут быть ; причиной отклонения-параметров напыляемых 'сдоав от яояшдоьша ■ значений. :

Наиболее полную и прямую информацию о ходе технологического процесса дает гласе-анализ потока напыления. Состав молэ-■кулярного потока электронно-лучевого аспаренгя- некоторое ¡Ш , Представ., зн_в табл Л • и. существенно, отличается от полученного в • •вкоперамектач с эффузаояной ячейкой,

Таблица I

Состав молекулярного потока испарения

Ведество Состав потока испарения

Эффузионлая ячейка Электоонно-лу ч-зв ой * нагрев

ИдГг Г.МгМдГ.МдГг,^

г; ;С5 МА.К^ЛЛЛ.О, ' ле. 0,

Ъ-0, 1г0Дг0г,0 1г0,0.0аДгС,Дг

Со"таз потока напыления оказывает ванное влияние на состав растущей пленкиоднако физические 'свойства покрытия зависят а от условий конденсации, и тех процессов, которые сопровождает конденсацию слоя на подложке. Анализ' химических, физических и структурных-.превращений, которыми сопровождается конденсация ГШ на ггодлогске , не входил .в задачу настоящей работы, однако не вызывает снмнений, что для проведения Такого рода исследований

необходимы данные о химическом и корпускулярном составе газо* паровой фазы, которые могут бить получены только' с.помощь» .'. масс-споктрометрии.

Неоднозначное злпяпие состава потока напыления на оптические свойства слоев пленкообразудщ.-!:; оксидов иллюотрируэт рио,1. На этом рисунке собрали з азясимос тя показ ателя прэломлепия некоторых поело до зан кых яле н но о б раз у-юдах оксидов Це&> от состава потока напыления, характернотикой которого выбрано отношение ионных токов Ме+ и :,1э0+ в масс-спектре потока напыления. Данные для 7гОх относятся к слог.: с небольшим поглощением, Как видно из рисунка, изменение состава потока напыления оказывает непосредственное влияние .на.показатель преломления слоев ЩО^ , в то время как в случае оксида кремния и яепоглощаюгцих слоев оксида циркония это влияние выражено гораздо.слабее.

Причиной стабильности п в слоях SiOj, является взаимодействие растущей пленки с остаточной атмосферой, содержание', кислорода з которой при испарении $iDx существенно'знсэ, чем при испарении 2гОг и H{Ua а, вероятно, достаточно для окисления растущей пленки. Различия в оптических свойствах слоев 1гОг и HfOi связаны, по нашему мнения, с механизмом отгонки кислорода из таблеток этих ЯШ. Из-за более, прочной химической связи з решетке Щ0г , а также более высокой температуры аллотропического превращения (1700°с у Н{0г , II00°G у'й-О^ ) при электронно-лучевом испарении 7r0i отгонка кислорода происходит не только ::з фокальной (подвергающейся непосредственному воздействию электронного луча) области таблетки, но и из ее периферийных обла";гЭто обеспечивает -'более сялйое-(яо сразке-

IÍMsIL iCMSOO

Рис.1

- м -

нию о Нфд ) обеокаслорокаванае таблетки и приводит к

появлению погуюценпя в велклтомкх слоях. При испарении :хо 11(0^ обескислорожквается только та часть Таблетки, которая подвергается непосредственному воздействию электронного луча. В этих условиях дефицит кислорода в потоке напыления и прочная связь 'между' аторамн Ш у, 0 могут способствовать образования пленки " пористой структурой, что позволяет объяснить зависимость. п от 3(Н{ ^¡^(О*).

Для стабилизации оптических свойств слоев ^г-Оц, и 11?0. ■ мохно' рекомендовать использовать дозируемый напуск кислорода в камеру.(реактивное испарение), свести к минимуму время цредза-рител но прогрева'испаряемого вещества и не пользоваться бившими в употреблении таблетками. Для снижения степени диссоциации потока напыления ' можно рекомендовать пспользозапие рези-

стивного испарения при температуре„• близкой к температуре ления НдТ^..'.«.- Перспективным выглядит применение фторлдних смесей (' ("^-Се^ , МдГг-ВаГх и др.),' при использовании которых, во-первых,' происходит дофторирозание растущей пленки вследствие разлояения;одного'аз фторидов и, во-втор;к, за счет гетероваленткого изоморфного замещения катионов 'создается.условия для образования нестехкометрических кристаллических фаз вместо, кристаллов с большим количеством дефектов. ■•

•Сусестзущае методы разработки и оптимизации конструкций оптических .гокрытин, ..зачастую основаны на эмпирическом приеме метода проб и оаабок, -аккумулируют огромна;* .экспериментальный опыт. "Систематическое изучение закономерностей, элвктроиаэ-луче-вого испарения с помощью разработанной системы масс-спектромет-рического контроля подводит научную базу под многие эмпкрдче-•скке рецепта и приемы .электронно-лучевого испарения ПО;,! и открывает широкие возможности для. научно' обоснованной оптимизации технологии вакуумного напыления, когда технологические рекомендации указывают не'только на то, что нужно делать для получения покрытия с заданными свойствами, но и объясняют, почему это ■необходимо. -

выводи

I. Экспериментально продемонстрирована возможность проведения ааоо-спсктроиЬтрачвского анатаза состава потока напыления лрп электронно-лучевом келарем:!?, оитичеоких ПОМ в условиях, близких к услозкш напыления оптических .покрытий на произвол-стае.

?.. На опзо отечественного оборудования разработан и создан ыакот системы масс-спектрометрпческого контроля процесса напыления оптических покрытии.

3. Разработаны методичеекко приемы, позволяющею осуществлять :ласс-спэктрош'грчесш1й контроль как состава подкелпач-нок атмосферы, так и потока напыления ПОМ непосредственно при напылении покрытий.

4. В одинаковых экспериментальных условиях проведено исследование особенностей электронно-лучевого испаоепия ряда ми-роко используемых ПШ: фторида магния ( MgR ), оксидов циркония С 7r0j ), гарпия ( Н(0г ), асоминия ( (?фь ) и кремния

( blOx ). Основные результаты гласс-спеитроматрического исследования состава молекулярного потока испарения этих веществ заключается з следующем:

4.1. Все исследованные материалы при электронно-лучевом ucnapoHuic диссоциирует» При испарении ллеякообразуюозех оксидов соде ахание молекул высыих окислов в потоке напыления незначительно. Осяэзкили хошояентаки потока напыления являются молекулы низших окислов, кислорода, атомы металла и кислорода,, -соотношения шяду которыми непрерывно меняются. При непарен?.:;! Mgf», основными компонентами потока непылзняя являются <..: яеауга hq . F И 1-lqf .

4.2. Открытая поверхность испарения, локальное еоздойств^й на испаряе:.едн материал электронов луча приводят к более сильной, чем в раЕноиоспых условиях диссоциации па-а, я вызывают в случае испарения оксидов гагния и циркония флуктуации состава.потока напыления, которые :.:огут быть причиной оптической неоднородности конденсируемых слоев. При испарении Mgf\ замечена электронно-ст;::.гул:;розаяная десорбция под действием электронов луча.

4.3. Пела;-всех исследованных .материалов носит инкон-

груэншй характер: состав пара испаряемого вещества существенно меняется за время напыления и зависит от режима испарения,

4.4. При испарении оксидов происходят постепенное обескис-лорсзаванао испаряемого вещества и потока напыления. С увеличе-кке:л времени испарения уменьшается содерканае в потоке кислорода к молекул высших окислов. На примере окоида кремния показано, что кис юрод пзквдаот иопарявмые ококдц преимущественно в виде атомов.

4.5, В случае испарения оксидов гафния и циркония доказано присутствие в потоке напыления атомов чистого металла.

4.S. При изменении тока луча состав потока напыления необратимым образом изменяется. Не существует однозначной зависимости между величиной тока луча и составом потока нетления. меняя ток луча,. мокно внести изменения в состав потока напыления.

4.7.-Индикатором скорости напыления для всех исследованных ИОН M0S8T слуиять зеличкна .массовых линий кислорода.■

5. Опыт использования макета системы масс-спектроматриче-ского контроля на Сазе установки вакуумного напыления УйДЗ. 279.011 и масс-спектрометра Ж 7304 показывает, что метод г.тасс-спектрометркческого контроля потока напыления позволяет оперативно получать объективную информацию о составе потока напыления и об особенностях испарения пленкообразующих веществ. Учитывая. что величина тока луча, а такие дозируемый напуск в камеру кислорода оказывают воздействие па состав- потока, напыления, представляется возможным поставить задачу создания автоматизированной системы масс-опектрометрпческого контроля технологического процесса напыления покрытий. Такая система, базирующаяся на масс-спектрометрическом датчике, позволит осуществлять не только контроль, но и управление технологическим процессом напыления оптических покрытии и способна обеспечить воспроизводимость условий нанесения покрытий'на промышленных вакуумных установках.

Основные публпкадо. по теме д-соертации:

I. Скворцов H.H., Ялышко C.B. Маос-спэктрометрический анализ паров фтористого магния при электронно-лучевом испарении// Тез.докл. П Всес.конф. молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика". - Л., 1986. - С,468.

2. Скворцов H.H., Тульеза H.H., Уотиноз Ю.К., Ялышко С.З. Способ масс-спектромотричеокого исследования прямого потока напыления диэлектрических покрытий. - А.с.СССР » I428I05 от

14.07.1966.

3. Скворцов H.H., Устинов Ю.К., Ялышко С.З. Масс-спзктро-метрпчесхий анализ газо-наровой фазы при вакуумном испарении Нд^// Тез.докл. Г/ Всео.конф, по ыаос-спектрометрни, - Суш,-. I9B6. - Секция 7. - С,72.

4. Скворцов Н.Н», Устинов Ю.К,, Ялышко C.B. Система масс-спектроматричссг.ого контроля технологии вакуумного напыления просветлякцнх покрытий для кинооптики//Техника фильмопроиззэд-ства: Сб.науч.тр. «ШШ. - Л., 1986. - С.74-78.

5. Скворцов H.H., Устинов D.K., Ялышко О.В. Анализ газопаровой фазы при электронно-лучевом испарении фторида магния// Опткко-мех.поом-сть. - 1987, ü 9. - С,22-25.

6. Скворцов H.H., Скебэр В,А., Устинов Ю.К., Ялышко С.З. Изучение условии вакуумного напыления оксида алюминия на оптические детали киносъемочных объективов// Разработка и производство киноаппаратуры и носителей кинематографической информации: Сб.науч.то, ЛИКК. - Д., 1987, - С.94-99.

7. Скворцов H.H., Скебер В.А., Устинов Ю.К,, Ягов Г.З., Ялышко C.B. Воздействие паров Hg0 на оптические свойства пленок Mc|F, // Тез.докл. П Уральской конф. "Поверхность и новые материалы". - йхевок, 1988. - С.103.

8. Скворцов H.H., Уотиноз 13,К., Яяынко C.B. Новый параметр процесса вакуумного просветления кинооптики// Проблем': нормирования и обеспечения качества.изображения и звука в кинематографии: Сб.науч.тр. ЛЖИ. - Л., IS88. - С.26-29.

9. Скворцов а.Н., Скебер I., Устинов Ю.К., Ялышко C.B. Применение монопольного масс-спектрометра î.X 7304 для аналаг . молекулярных потоков испарения// Применение маса-опектрометрии

з биологии и медицине: Таз.докл.конф. молодых ученых. - Харьков, 1989. - С.153.

10. Скворцов H.ïl., Устинов Ю.К,, Ялышко C.B. Масс-спектро-метрическии анализ паров фторида магния ..ри нагреве электронной бомбардировкой// Изз. вузов 'СССР. - Сер.Физика. - 1989, И 7. -С.96-97.

11. CijJ;x:o.b H.H., Скабер В.А., Устинов £.К., Ягшако C.B.

Состав газо-паровой фазы ащ электронно-лучевой испарении оксида аянминия// Олтико-ыех.пром-сть. - 1989, й 7. - G.36-38.

12. Скзорцоз H.H., Скебер В,А., Устинов В,К., Ялшко 0,3. Критерий стабильности состава молекулярного потока пои напылении оптических покрытий// Оптико-мех. прш-с ть. - 1989, г> 12. -0.40-42.

13. Скворцов H.H., Скебер З.А., Устинов Ю.К., Яликко 0,3. Масс-спектрометрический контроль скорости вакуумного напыления интерференционных покрыт:-;;! для кинооптики// Проблош развития тзхникп и технологии кинематографа: Сб.науч.тр. ЛйХИ. - Зыл.2.-Л,, 1990. - C.IG3-III.

. 14. Скворцов H.H., Скобе о В,А., Устинов Ю.К., Ялышко С.В, Особенности электронно-лучевого испарения оксида циркония// Оатико-мйх.иром-сть. - 1990, &■ г, - С.37-39.

15. Скворцов H.H., Скебер В.А., Устинов Ю.К., Ялнипсо С.В., Герестозич.Я.Б, Состав молекулярного потока при электронно-лучевом напылении слоев оксида гафния// Олтико-мох.пром-сть. -XS90, - С.52-54.

Подпйс но к печати 12,04.94 г. Объем 1,1 п.л.

Заказ■83 Тираж ICÜ экз. ' Бесплатно

Ротапринт. йТГ/.О. IS0C0C, С.-Петербург, пер.Грявцова, 14