Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Синтез интерференционных покрытий 15
1.1. Синтез и анализ интерференционных покрытий 15
1.2. Исследование устойчивости широкополосных спектроделительных покрытий 29
1.3. Методики коррекции спектральных характеристик отрезающих фильтров 35
Выводы 51
ГЛАВА 2. Исследование оптических констант тонких пленок 53
2.1. Методы исследования оптических постоянных тонких пленок 53
2.2. База данных оптических констант для пленок, используемых при изготовлении интерференционных фильтров 60
2.3. Синтез и исследование новых материалов на основе халькогенидов мышьяка 75
Выводы 80
ГЛАВА 3. Технологические особенности вакуумного напыления оптических покрытий 82
3.1. Экспериментальное вакуумное оборудование 82
3.2. Формирование пленок постоянной толщины на подложках, совершающих одинарное вращение 87
3.3. Формирование пленок постоянной толщины на подложках, совершающих планетарное вращение 100
3.4. Методика контроля толщин осаждаемых пленок 110
Выводы 115
ГЛАВА 4. Синтез и исследование интерференционных фильтров различного назначения 116
4.1. Приемники ИК-диапазона и ИК-оптопары 116
4.2. Пожарные извещатели пламени 127
4.3. Формирователь тест-сигнала для проверки работоспособности инфракрасных датчиков пламени и взрыва 130
4.4. Спектральные и эксплуатационные характеристики разработанных интерференционных фильтров 135
Выводы 155
Заключение 156
Список литературы 158
Приложения 172
- Исследование устойчивости широкополосных спектроделительных покрытий
- База данных оптических констант для пленок, используемых при изготовлении интерференционных фильтров
- Формирование пленок постоянной толщины на подложках, совершающих одинарное вращение
- Пожарные извещатели пламени
Введение к работе
Актуальность темы
Интерференционные фильтры, в силу возможной вариативности своих спектральных характеристик, находят широкое применение в различных областях науки и техники. Для их реализации требуются прозрачные оптические пленки с различными коэффициентами преломления и минимальным коэффициентом поглощения в требуемой области спектра. При синтезе многослойных интерференционных покрытий также необходим учет дисперсии показателей преломления и поглощения пленкообразующих веществ. Однако оптические свойства тонких пленок зависят от условий их получения и, как правило, отличаются от известных справочных данных, приведенных для монокристаллов или массивных образцов. Существующие в настоящее время данные по оптическим константам пленок недостаточны.
Возможность варьировать не только толщину слоя, но и его показатель преломления является дополнительной степенью свободы при проектировании оптических покрытий. В этом смысле получение новых материалов и исследование оптических констант пленок на их основе в совокупности с созданием методов и средств получения тонких пленок из этих материалов позволяет и в дальнейшем совершенствовать как технологию изготовления интерференционных покрытий, так и их эксплуатационные, спектральные и экономические характеристики. Поэтому, поиск новых материалов, а также работы по совершенствованию технологии получения и исследование тонких пленок и оптических покрытий на их основе являются актуальной и весьма перспективной, с позиции накопления новых знаний и опыта, областью исследований.
Уникальные свойства тонкопленочных оптических покрытий позволяют формировать разнообразные спектральные характеристики фильтров. Современные средства откачки, прецизионные системы контроля толщины, новые методы изготовления и контроля оптических пленок, позволяют получать пленки тех материалов, которые до недавнего времени еще не были освоены и дают возможность существенно расширить не только рабочий спектральный диапазон получаемых оптических покрытий, но и множество их спектральных характеристик.
При реализации на практике многослойных интерференционных покрытий их спектры пропускания (отражения), в силу множества причин, всегда отличаются от расчетных. Поэтому вопросы синтеза дополнительных структур, которые позволяют скорректировать ошибки, возникающие при изготовлении оптических покрытий, путем добавления одного или нескольких слоев поверх готового покрытия, представляют несомненный практический интерес для конструкторов, занимающихся проектированием интерференционных фильтров. А исследование влияния этих ошибок на оптические характеристики покрытий позволяет судить о сравнительной устойчивости нескольких структур, реализующих сходные спектральные характеристики. Однако эти вопросы слабо отражены в литературе.
В процессе изготовления, наряду с оптическими и эксплуатационными свойствами, особое внимание уделяется равномерности осаждаемого покрытия по толщине, а при промышленном производстве этот фактор становится наиболее актуальным. Возможность получения однородных по толщине покрытий на подложках значительной площади, а также реализация за один технологический цикл большого количества некрупных оптических деталей с идентичными оптическими характеристиками существенно расширяет область их применения и снижает себестоимость.
Цель работы
Цель диссертационной работы состояла в исследовании оптических пленок материалов, применяемых в инфракрасной области, а также в синтезе на их основе и исследовании свойств многослойных интерференционных фильтров для ближнего и среднего ИК-диапазона спектра.
Для решения поставленных задач в настоящей работе:
создана база данных по используемым пленкообразующим материалам с учетом дисперсии оптических констант тонких пленок для корректного синтеза покрытий;
синтезированы новые материалы на основе халькогенидов мышьяка: АяБе^ Аз Б4, А яБщ 2^е]б2 и исследованы оптические свойства их тонких пленок;
проведен расчет равномерности толщины пленки осажденной на подложки, совершающие одинарное и планетарное вращение. По результатам расчетов имеется возможность оценить равномерность получаемых покрытий при заданной геометрии, а, в случае проектирования оснастки вакуумной камеры, определить её оптимальные геометрические параметры;
проведен анализ существующих методов синтеза и анализа
покрытий;
рассмотрена возможность проектирования многослойных интерференционных покрытий с применением неравнотолщинных слоев;
исследована устойчивость спектральных характеристик широкополосных спектроделительных покрытий, синтезированных с использованием равнотолщинной стопы с обрамляющими слоями и неравнотолщинных слоев, к вариации толщин слоев;
предложены и реализованы методы коррекции спектральных характеристик отрезающих покрытий, реализованных с ошибками, путем добавления одного или нескольких корректирующих слоев поверх напыленной структуры;
предложена и апробирована методика фотометрического контроля процесса вакуумного осаждения пленок, толщины которых не кратны Ао/4;
синтезированы интерференционные фильтры среднего ИК-диапазона спектра для газоанализаторов и пожарных извещателей;
исследованы спектральные и эксплуатационные характеристики изготовленных фильтров. По результатам исследований установлено, что изготовленные фильтры относятся к 1-ой группе по влагопрочности и механической прочности по ОСТЗ - 1901 - 95.
Научные положения, выносимые на защиту
Результаты исследования оптических свойств пленок новых пленкообразующих материалов на основе халькогенидов мышьяка.
Методы коррекции спектральных характеристик отрезающих фильтров путем добавления поверх напыленной структуры дополнительных корректирующих слоев.
Результаты исследования синтезированных интерференционных фильтров для датчиков пламени и газоанализаторов.
Результаты расчета распределения толщины пленки по поверхности подложки для случая одинарного вращения при напылении на конусную и сферическую поверхности, а также для планетарной схемы вращения.
Научная новизна и практическая ценность работы:
предложены и реализованы на практике способы коррекции спектральных характеристик отрезающих покрытий;
исследована устойчивость спектральных характеристик широкополосных спектроделительных покрытий, синтезированных с использованием равнотолщинной стопы с обрамляющими слоями и неравнотолщинных слоев, к ошибкам в толщинах слоев, возникающих при их изготовлении;
синтезированы новые вещества на основе халькогенидов мышьяка и проведено исследование оптических констант их тонких пленок. Исследованные пленки обладают малыми оптическими потерями в ближней и средней ИК-области спектра и удачно заполняют диапазон показателей преломления от 2,2 до 2,8;
составлена база данных по оптическим константам используемых пленкообразующих материалов;
предложен оригинальный алгоритм расчета толщины пленки, осаждаемой на вращающиеся подложки. Для одинарного вращения при напылении на конусную и сферическую поверхности, а также для планетарной схемы вращения рассчитано распределение толщины пленки по подложке. Показано существование оптимального набора конструктивных параметров оснастки, обеспечивающего наилучшую однородность по толщине осаждаемых слоев.
разработанная методика синтеза оптических покрытий с применением неравнотолщинных слоев в совокупности с предложенным способом фотометрического измерения не кратной А/4 толщины пленки позволяет реализовывать многослойные системы с широким набором спектральных характеристик
разработаны и изготовлены структуры ряда многослойных тонкопленочных покрытий и исследованы их спектральные и эксплуатационные характеристики с соответствии с требованиями ОСТ 3 — 1901 - 95 «Покрытия оптических деталей. Типы, основные параметры и методы контроля»;
-. разработана конструкция формирователя тест-сигнала для проверки работоспособности пожарных извещателей пламени.
Результаты работы внедрены в ОАО «НИИ «Гириконд» (г. Санкт- Петербург). Акт о внедрении представлен в Приложении 1.
Личный вклад автора
Основная часть теоретических и экспериментальных исследований, связанная с конструированием, изготовлением и изучением свойств тонкопленочных конструкций выполнена автором самостоятельно. Формулировка направлений исследований, обсуждение и интерпретация результатов проводились совместно с научным руководителем.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и сессиях:
5th International Conference ADVANSED OPTICAL MATERIALS AND DEVICES (AOMD-5), Vilnius, Lithuania, August 27-30, 2006;
International Conference FUNDAMENTALS OF LASER ASSISTED MICRO- AND NANOTECHNOLOGIES (FLAMN-07), Pushkin, St. Peterburg, June 25-28, 2007;
научные сессии аспирантов, докторантов и соискателей Санкт- Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (13-17 апреля 2007 г., 10-14 апреля 2008 г., СПбГУАП);
V Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург, СПбГУ ИТМО, 15-18 апреля 2008 года;
International Conference LASER OPTICS (LO-08), St. Petersburg, Russia, June 23-28, 2008;
15th INTERNATIONAL SCHOOL ON QUANTUM ELECTRONICS: «Laser physics and applications» (XV ISQE-08), Bourgas, Bulgaria, September 15-19, 2008.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ [27, 36, 40, 42, 64, 74-78, 80, 96, 118, 122, 123], из них 6 статей, 8 работ в материалах международных и российских конференций, 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 179 страницах машинописного текста, включая 81 рисунок и 14 таблиц. Список цитируемых литературных источников содержит 126 библиографических ссылок.
Содержание работы
В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с синтезом и анализом ИП различного назначения. Представлен обзор существующих методов решения задач анализа и синтеза ИП. На примере широкополосного отрезающего покрытия показаны преимущества синтеза оптических покрытий с использованием неравнотолщинных структур по сравнению с конструированием покрытий с применением равнотолщинных структур. Рассмотрена теория расчета спектральных характеристик многослойных тонкопленочных систем, базирующаяся на электромагнитной теории и матричном методе.
Затронута проблема стабильности синтезированных покрытий, т.е. нечувствительности получаемых спектральных характеристик к вариациям толщин слоев и коэффициентов преломления реально изготавливаемых структур. На примере спектроделительного покрытия, спроектированного с применением двух различных методик, показано, что вариант покрытия, синтезированный с использованием равнотолщинной стопы и обрамляющих слоев, устойчивее к изменению оптических толщин слоев по сравнению с неравнотолщинной структурой.
На практике, в силу множества причин, спектральные характеристики изготовленных покрытий отличаются от расчетных. Поэтому вопросы синтеза дополнительных структур, которые позволяют исправить ошибки, возникающие при напылении изготовленного многослойного покрытия путем добавления одного или нескольких слоев, представляют неоспоримый практический интерес для конструкторов, занимающихся проектированием многослойных покрытий. В работе показано, что имеется возможность скорректировать спектральные характеристики получаемых отрезающих фильтров путем добавления одного или нескольких корректирующих слоев различной толщины, а также при отсутствии поглощения удается получить пропускание близкое к 100 % -ному на заданной длине волны вне зависимости от способа конструирования и количества слоев в структуре рассмотренных покрытий. Приведены экспериментальные результаты реализации предложенных методик для коррекции спектральных характеристик оптических покрытий.
Вторая глава посвящена исследованию оптических констант (ОК) пленкообразующих материалов. В первом разделе главы рассмотрена методика определения оптических констант тонких пленок по спектрам пропускания и отражения на прозрачных подложках. Приведены результаты исследования ОК пленок ZnS, 8Ю2, Zr02, РЬР2 и полученных испарением исходных материалов электронным лучом, а также пленок 8Ю, РЬТе,
СеТе и полученных резистивным испарением. Исследованные
вещества являются перспективными пленкообразующими материалами для изготовления ИП различного назначения. В последнем разделе главы изложены результаты исследования тонких пленок новых материалов на основе халькогенидов мышьяка. Тонкие слои синтезированных АзБе^ Аз51б.28е/б.2 и имеют малое поглощение в области прозрачности и могут быть успешно использованы для синтеза оптических покрытий. Они удачно заполняют диапазон показателей преломления от 2,2 до 2,8.
В третьей главе описана технология изготовления тонкопленочных структур. Приведены конструкции испарителей для получения тонких пленок электронно-лучевым и резистивным методами. Рассмотрены вопросы формирования равномерных по толщине пленок, осаждаемых на вращающиеся подложки. Для одинарной и планетарной моделей вращения подложек наглядно показано существование оптимального набора геометрических параметров оснастки и взаимного расположения испарителей и подложки, при котором достигается наименьший разброс толщин осаждаемых слоев. При соблюдении оптимальных условий может быть достигнута степень постоянства толщины порядка 0,003 - 0,004 на подложках с линейным размером до 200 мм.
По результатам расчетов имеется возможность оценить равномерность получаемых покрытий при заданной геометрии, а, в случае проектирования оснастки вакуумной камеры, определить её оптимальные геометрические параметры.
В последнем разделе главы рассмотрен фотометрический способ контроля толщины осаждаемого слоя, конечная толщина которого не равна 1о /4. Суть метода заключается в следующем: с учетом значений оптических констант контрольного образца и осаждаемого слоя на длине контроля 1о, для каждого слоя рассчитывается ход изменения интенсивности прошедшего (отраженного) излучения в зависимости от изменения толщины пленки, осаждаемой на контрольный образец. Далее, в процессе напыления, в реальном времени по предварительно рассчитанному характеру изменения интенсивности прошедшего (отраженного) излучения определяется толщина осаждаемого слоя, даже если его оптическая толщина не равна (кратна) Ло/4.
Четвертая глава посвящена исследованию спектральных и эксплуатационных свойств получаемых покрытий, а также рассмотрены конструкции и характеристики фотолюминесцентных и фоточувствительных полупроводниковых приборов производства ОАО «НИИ «Гириконд», в конструкции которых используются изготавливаемые интерференционные фильтры.
Для определения эксплуатационных характеристик тестовые образцы фильтров были исследованы на влагопрочность, химическую, термическую и механическую прочность в соответствии с методиками контроля основных параметров оптических покрытий по ОСТЗ - 1901 — 95 «Покрытия оптических деталей. Типы, основные параметры и методы контроля». После проведенных испытаний можно сделать заключение, что исследованные оптические интерференционные покрытия обладают достаточной прочностью к воздействию органических растворителей, применяемых при чистке оптических деталей; выдерживают многократную очистку салфеткой из батиста или ватным тампоном, смоченным этиловым спиртом или спиртоэфирной смесью; выдерживают перепад температур от -60С до +60С, термический удар ± 60С, нагрев до 200С. По механической прочности относятся к I - ой группе, по влагопрочности также относятся к I - ой группе по ОСТЗ - 1901 - 95.
Фотолюминесцентные и фоточувствительные полупроводниковые приборы на основе поликристаллических пленок твердых растворов РЬБе- Cd.Se, в конструкцию которых входят изготавливаемые интерференционные фильтры, удачно используются при разработке и производстве датчиков и приборов для решения широкого круга задач. В ОАО «НИИ «Гириконд» (Санкт-Петербург) на основе многоспектрального фотогальванического ИК- приемника разработана серия извещателей пламени «НАБАТ» и контроллеров его наличия (например, пламени газовых горелок). В них использован принцип спектральной селекции, как наиболее информативный и надежный метод регистрации очага возгорания. Для проверки работоспособности оптоэлектронных датчиков пламени и взрыва различных конструкций разработано тестовое устройство, позволяющее быстро, надежно и достоверно проводить проверку приборов на месте использования. Удобство и достоверность наведения тест-излучения на цель обусловлено тем обстоятельством, что и видимая составляющая излучения, необходимая для наведения, и тестовое инфракрасное излучение, сформированы одним широкополосным источником излучения, а спектральная инфракрасная имитация различных типов очагов пламени достигается за счет использования специальных интерференционных фильтров.
Октроны - оптопары с открытым оптическим каналом — успешно применяются для решения задач сорбционного газового анализа. Для этих целей в оптике инфракрасного диапазона весьма востребованы быстродействующие малогабаритные источники излучения с низким энергопотреблением. Анализ рекомбинационных процессов в халькогенидах свинца показывает, что эффективность излучательной рекомбинации может достигать больших значений. Использование в качестве источника оптической накачки ваАэ светодиода позволяет получить значения оптической мощности до нескольких сотен микроватт в непрерывном режиме при комнатной температуре в диапазоне длин волн от 2,5 мкм до 4,5 мкм. Введением в конструкцию элементов оптопары определенных узкополосных интерференционных фильтров можно добиться избирательности и помехозащищенности при детектировании необходимых газовых компонент.
Приведены синтезированные структуры покрытий и результаты исследования спектральных и эксплуатационных характеристик реализуемых на практике фильтров.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Исследование устойчивости широкополосных спектроделительных покрытий
Цель исследования устойчивости многослойной системы - это получение информации об изменении оптических характеристик, возникающих при вариациях параметров слоев. В общем виде, при рассмотрении вопросов, связанных с проблемой устойчивости многослойных систем, просматриваются две задачи, схожие с задачами получения покрытий с требуемыми характеристиками.
Первая задача состоит непосредственно в анализе устойчивости системы, т.е. для некоторого существующего набора решений, удовлетворяющих требованиям, необходимо сравнить структуры на стабильность, и, соответственно, выбрать наиболее устойчивую к изменениям параметров слоев.
Вторая задача есть аналог задачи синтеза покрытий. В этом случае для определенного класса многослойных систем (просветляющие покрытия, отрезающие фильтры, узкополосные фильтры и т.д.) синтез структуры изначально проводится с таким расчетом, чтобы в конечном итоге получить наиболее устойчивую структуру покрытия.
В данном разделе будет рассмотрена задача анализа устойчивости покрытий. Ниже представлены результаты исследования устойчивости спектроделительных покрытий для интерференционных фильтров среднего ИК-диапазона спектра [27, 40].
Наряду с другими типами оптических покрытий, спектроделительные покрытия успешно используются в оптическом приборостроении, лазерной физике, аппаратуре для космических исследований, фурье-спектроскопии и других областях науки и техники. В частности, они хорошо востребованы при изготовлении узкополосных интерференционных фильтров. Однако вопросы теории синтеза и технологии изготовления таких покрытий на современном уровне развития недостаточно изучены и разработаны. Например, в литературе практически отсутствует обсуждение стабильности синтезированных покрытий, т.е. нечувствительность получаемых спектральных характеристик к вариациям толщин слоев и коэффициентов преломления реально изготавливаемых структур.
Анализу подвергались 2 варианта покрытий, спроектированных с использованием различных методик. В основе одного покрытия лежат равнотолщинные четвертьволновые пленки. В основе другого - неравнотолщинные пленки. Синтезированные покрытия рассчитаны на пропускание в диапазоне 2,6 — 4,0 мкм и блокирование излучения ниже 2,4 мкм. Длина волны пропускания по уровню 0,5 максимального пропускания о,5Тшах= 2,5 мкм. Проведен анализ устойчивости обеих структур к вариациям толщин напыляемых пленок, обусловленных погрешностями при измерении в процессе напыления.
В качестве основных пленкообразующих веществ выбраны материалы с показателями преломления пц = 4,0 (соответствует ве) и пи = 1,70 (соответствует 810). Материалом подложки в обоих вариантах спектроделительных покрытий служит кремний, показатель преломления пя = 3,5.
В рамках рассматриваемой модели дисперсия показателей преломления пленкообразующих веществ и подложки исключена, а показатели преломления приняты постоянными во всем спектральном диапазоне. Поглощение в пленках и подложке отсутствует.
В основе первого варианта спектроделительного покрытия лежат равнотолщинные четвертьволновые слои. Известно, что с помощью классической четвертьволновой стопы не удается добиться хорошего пропускания в требуемом спектральном интервале. Поэтому одним из способов улучшения спектральной характеристики является добавление в начале и в конце структуры по два (или более) обрамляющих слоя, толщины которых подбираются таким образом, чтобы оптимизировать спектральные характеристики покрытия в соответствии с требованиями [11, 18]. Причем показатели преломления добавляемых эквивалентных слоев могут быть отличны от показателей преломления четвертьволновых пленок, а сами слои выполняют функцию согласования на границах раздела подложка - структура и структура - воздух.
В нашем случае при синтезе структуры спектроделительного покрытия на основе четвертьволновой стопы материалом первого согласующего слоя выбран УГ3 с показателям преломления = 1,4.
Второй вариант спектроделительного покрытия спроектирован с использованием неравнотолщинных слоев. Несмотря на то, что проектирование и реализация на практике интерференционных покрытий с использованием слоев, толщины которых не равны Яс /4, сопряжена с рядом принципиальных трудностей, такие покрытия находят широкое применение в силу возможной вариативности своих спектральных характеристик.
База данных оптических констант для пленок, используемых при изготовлении интерференционных фильтров
Оптические свойства тонких пленок зависят от условий их получения и зачастую отличаются от известных справочных данных, приведенных для монокристаллов или массивных образцов. Также, в силу специфики работы достаточно сложного по своей технической организации вакуумного оборудования, для одних и тех же исходных веществ, свойства их пленок, полученных вакуумным осаждением при, казалось бы, сходных условиях на разных установках, могут существенно отличаться. Причиной этого могут быть, к примеру, погрешности при измерении таких технологических параметров, как остаточное давление в рабочей камере, температура подложки, скорость осаждения. Также на свойства получаемых покрытий влияет и средства получения вакуума, так, например, почти неизбежно загрязнение рабочего объема парами вакуумного масла при использовании высоковакуумных паромасляных насосов.
Взаимное расположение испарителя и подложки, а также угол поступления паров материала на поверхность детали тоже оказывают влияние на свойства получаемых покрытий. При наклонном поступлении паров конденсирующегося вещества имеет место эффект затенения, следствием чего является уменьшение плотности пленки, появление пор и структурных неоднородностей в слое [60-62].
Поэтому очевидно, что для успешного проведения работ по изготовлению оптических покрытий необходимо составление базы данных по используемым пленкообразующим материалам, получаемых на данном конкретном вакуумном оборудовании.
Особенность описываемой технологии такова, что для реализации большинства рабочих структур при производстве оптических интерференционных фильтров в ОАО «НИИ «Гириконд» основными пленкообразующими материалами являются германий Се, селенид цинка 2п8е, сульфид цинка моноокись кремния 570, реже фторид свинца РЬР2, теллуриды свинца РЬТе, германия СеТе и цинка 2пТе, диоксиды циркония 2Г02 И кремния БЮ2. Поэтому нами были проведены исследования оптических констант этих пленок, результаты которых приведены ниже.
Пленки германия обычно используют в сочетании с пленками сульфида цинка или моноокиси кремния. Пленки 2пБе и используются в качестве слоев с промежуточным показателем преломления, слои РЬТе используются для изготовления интерференционных фильтров в диапазоне 3,5 - 15 мкм, а поглощение в слоях теллурида свинца в области длин волн меньше 3,5 мкм удобно использовать для блокирования коротковолнового излучения. С применением пары материалов 2Ю2 - 8Ю2 создаются интерференционные структуры, прозрачные в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.
Оптические пленки изготавливались методом резистивного и электроннолучевого испарения (ЭЛИ) в вакууме на вакуумной установке ВУ- 2М. Пленки 702, %г02, РЪР2 и Се получались испарением электронным лучом. Германий испарялся из стеклоуглеродного тигля марки СУ-2500, пленки остальных веществ, изготовленные методом ЭЛИ, были получены при испарении из графитовых тиглей. Следует отметить, что некоторые из этих материалов при испарении либо сублимируют (2п8 и РЬР2), либо не входят в расплав полностью (БЮ2, 2гО2), поэтому практически не происходит их взаимодействия с материалом тигля, что, в конечном счете, отражается на качестве получаемых слоев. Пленки 2п$е, БЮ, РЬТе, СеТе и были получены резистивным испарением из лодочек, изготовленных из молибденовой фольги.
Синтез РЬТе и проводился путем сплавления исходных свинца и теллура в вакуумированных кварцевых ампулах при остаточном давлении 3-10"3 -г- 5-10"4 Па. Режим синтеза заключался в предварительном нагреве ампулы с навеской исходных веществ в стехиометрическом соотношении в вертикальной цилиндрической электропечи с подъемом температуры до 970 С в течение 5 часов и последующей выдержкой при этой температуре в течение 2-х часов. По завершении процедуры синтезы происходила закалка ампулы в воде.
В качестве исходных материалов для приготовления РЬТе использовались следующие: - свинец металлический С - 0000 (ГОСТ 22861-77); - теллур специальной чистоты Т - сТ (ТУ 1769-096-00194929-2003). Технология синтеза ОеТе сходна с технологией для РЬТе с той лишь разницей, что нагрев ампулы происходил до температуры 960 С в течение 2-х часов, а последующая выдержка при этой температуре осталась прежней и составляла 2 часа. По истечении этого времени также проводилась закалка ампулы в воде. Для приготовления ОеТе в качестве исходных материалов использовались: - германий поликристаллический зонноочищенный (ТУ-48-4-546-90); - теллур специальной чистоты Т - сТ (ТУ 1769-096-00194929-2003). Синтез 2пТе также проводился в отпаянных кварцевых ампулах в вертикальной электропечи в следующем режиме: подъем температуры до 1050 С в течение 3 часов; выдержка при температуре 1050 С -1 час; нагрев до 1270 С в течение 1 часа; выдержка при 1270 С - 20 минут; остывание в печи. Для приготовления Zw7e в качестве исходных материалов использовались: - цинк гранулированный марки ЧДА (ТУ 6-09-5294-86); - теллур специальной чистоты Т - сТ (ТУ 1769-096-00194929-2003).
В зависимости от оптических свойств исследуемых пленок в качестве материалов подложек при напылении использовались 57, Сге, кварцевое стекло марки КИ, 2пБе и А1203 (лейкосапфир). Температура подложек во время напыления фиксировалась с точностью ±5 С в интервале 504-300 С.
Формирование пленок постоянной толщины на подложках, совершающих одинарное вращение
При реализации на практике, наряду с оптическими и эксплуатационными свойствами, особое внимание уделяется равномерности осаждаемого покрытия по толщине, а при промышленном производстве этот фактор становится наиболее актуальным. Возможность получения однородных по толщине покрытий на подложках значительной площади, а также реализация за один технологический цикл большого количества некрупных оптических деталей с идентичными оптическими характеристиками существенно расширяет область их применения и снижает себестоимость.
Основная часть публикаций, посвященных проблеме получения равномерных по толщине оптических пленок [87, 90-95], зачастую, либо не отражает тех реальных особенностей, которые возникают при промышленном производстве, либо не дает однозначных и удобных для интерпретации рекомендаций относительно условий получения однородных покрытий.
Не ставя перед собой задачи опровергнуть результаты, полученные предшественниками, мы предприняли попытку выявить зависимость однородности толщины осаждаемого слоя от геометрических параметров оснастки и различных моделей вращения подложек и показать существование оптимального набора параметров, обеспечивающего минимальный разброс по толщине осаждаемого слоя. Для одинарного механизма вращения при напылении на конусную и сферическую поверхности, а также для планетарного вращения были проведены расчеты равномерности пленки по толщине [96]. По результатам расчетов имеется возможность оценить равномерность получаемых покрытий при заданной геометрии, а, в случае проектирования оснастки вакуумной камеры, определить её оптимальные геометрические параметры.
Расчет равномерности проведем с использованием следующей модели. Пусть на некоторую неподвижную малую площадь поверхности подложки ей1 за единицу времени наносится слой вещества толщиной /). Величина зависит от многих параметров: плотности потока испаряемого вещества, геометрии оснастки и взаимного расположения испарителей, индикатрисы испарителей.
При движении площадки dS по определенной траектории в пространстве величина D меняется из-за изменения взаимного положения с испарителем. Кроме этого, с течением времени может изменяться общая интенсивность и индикатриса испарителя. В таком общем случае, расчёт толщины D, нанесённой за время t представляет достаточно сложную задачу. Для наглядности и удобства интерпретации необходимо принять следующие допущения, при которых, тем не менее, рассматриваемая модель не перестает соответствовать действительности.
Прежде всего, полагаем, что интенсивность и индикатриса испарителя не изменяются в течение всего напыления. Таким образом, функция толщины D становится чисто геометрической, т.е. зависящей только от взаимного расположения площадки dS и испарителя. Также считаем, что за время напыления t площадка dS многократно проходит по своей траектории X.
Толщина ), наносимая на площадку dS за малый промежуток времени dt, прямо пропорциональна косинусу угла падения соБ(а) испаряемого вещества на площадку dS, индикатрисе тигля F{ 6) и обратно пропорциональна квадрату расстояния от площадки до тигля 1 Ib2 . D= F(a) cos(a) (\/b2) (3.2) где b — расстояние от испарителя до площадки dS, cos(a) — параметр угла падения а, F(а) — индикатриса испарителя (а = 0, если ось испарителя расположена вертикально). Параметры а и b зависят от геометрии оснастки и от механизма вращения подложек (одинарное вращение, планетарное вращение). При простом вращении оснастка совершает движение вокруг оси вращения, а подложки закреплены под некоторым углом к оси (рис. 3.3 а)). В этом случае, для расчета толщины пленки, осажденной на вращающиеся подложки, приняты следующие обозначения.
Поверхность вращающейся карусели представляет собой часть сферы, на которой в несколько рядов располагаются подложки. Для плоских подложек, расположенных в одном ряду, вращающаяся поверхность представляет собой усеченный конус с вершиной в точке Y (рис. 3.4). Конус характеризуется углом Д который является углом между образующей конуса и плоскостью вращения площадки dS. Нормаль к малой площадке dS - вектор Я лежат в плоскости (dSOY) и составляет также угол /? к вертикали, и угол S к направлению на испаритель. L — расстояние от испарителя до оси вращения, b — расстояние от испарителя до площадки dS, р — расстояние от оси вращения до площадки dS. Рис. 3.4. Модель расчета толщины пленки, осаждаемой на конусную поверхность.
При фиксированной относительной высоте Н распределение толщины по подложке зависит от угла наклона подложки в горизонтальной плоскости, причем существует такое значение угла наклона Д при котором вариации толщины минимальны. В указанных диапазонах значений геометрических параметров источник с диаграммой соз"(«) значительно уступает по неравномерности источнику соз(ог) . Величина неоднородности пленки в этом случае может достигать величины 3- -5 %.
Пожарные извещатели пламени
Наряду с тепловыми, дымовыми и другими типами датчиков, в последнее время широкое распространение получили оптоэлектронные датчики пламени и взрыва. Наиболее информативной, с точки зрения задачи обнаружения очага пожара или взрыва, является ближняя и средняя ИК-область спектра. Здесь находятся спектры поглощения, как самих горючих углеводородов, так и продуктов их горения - воды и углекислого газа.
В зависимости от принципов идентификации излучения, возникающего в результате пожара или взрыва, оптические датчики разделяют на две группы: использующие принцип частотной селекции и использующие принцип спектральной селекции. Первая группа датчиков использует тот факт, что интенсивность излучения пламени колеблется с частотой 2-20 Гц. Вторая группа фиксирует пламя и взрыв по наличию инфракрасного излучения в различных частях диапазона от 0,8 мкм до 4,8 мкм.
В ОАО «НИИ «Гириконд» с использованием приемников излучения разработана серия извещателей пламени и контроллеров его наличия (например, пламени газовых многоспектрального фотогальванического приемника типа ФМ 611-М разработаны и освоены в серийном производстве многодиапазонные извещатели пламени ИП332-1/1, ИП332-1/2 CK, ИП332-1/3, ИП332-1/4 серии «НАБАТ» (рис. 4.10). В них использован принцип спектральной селекции и режим короткого замыкания для фотогальванического приемника.
Принцип спектральной селекции реализуется в приборах, имеющих чувствительность в нескольких спектральных поддиапазонах [117, 118]. В общем случае для извещателей пламени это три поддиапазона (рис. 4.11). Первый - с максимумом чувствительности в области 1 мкм — соответствует области излучения посторонних искусственных и естественных коротковолновых источников. У второго два максимума - около 2,8 мкм и 4,3 мкм. Они соответствуют излучению продуктов горения органических веществ: паров воды и углекислого газа. Третий - с максимумом чувствительности около 3,5 мкм - характерен для излучения от посторонних нагретых тел. Области чувствительности формируются при помощи многослойных интерференционных фильтров.
Излучение от источников, находящихся в поле зрения извещателя, попадает на фоточувствительные элементы фотоприемника, вырабатывающие сигнал в виде фототока, пропорционального интенсивности излучения на длинах волн, - соответственно 2,7 и 4,3 мкм, 1,0 мкм и 3,0 мкм. С целью экономии энергопотребления в электронной схеме обработки сигнала реализован импульсный режим питания с помощью задающего генератора и формирователя импульсного питания. Основные узлы схемы активизируются периодически на 1 мс, период повторения - 160 мс. В таблице 4.5 приведены основные параметры извещателей пламени ИП332 - 1/1 и ИП332 - 1/2 СК в сравнении с лучшими зарубежными аналогами. Таблица 4.5. Основные параметры извещателей пламени Параметр Модель извещателя (фирма, страна) S2406 (Cerberus, Швейцария) и DF1191 (Siemens, Германия) ИП332-1/1 и ИП332 -1/2 СК (НИИ «Гириконд») Требование к очагу горения Колеблющееся пламя с частотой 2-20 Гц Специальные требования не предъявляются Дальность по отношению к тестовому очагу ТП 5 (гептан горения 0,1 М2) И ТП6 (ЭТИЛОВЫЙ спирт 8гореш11 0,1 м2), М 15 и 10 25 и 17 Помехозащищенность Не выдают ложных срабатываний при оптических помехах Не выдают ложных срабатываний при оптических помехах Рабочее напряжение, В 18-28 12-29 Ток потребления в ждущем (режиме «Пожар») 250 мкА (20 мА) 75 мкА (20 мА) Быстродействие, с 2 3 (фотоприемник ФМ611М1), 0,5 (фотоприемник ФМ611М2) Угол поля зрения, град. 90 90 Рабочий температурный диапазон, С От -25 до 70 От -60 до 55 Габаритные размеры, мм 130x130x80 90x90x70 Масса, г 500 200 Соответствие нормативным документам Европейским стандартам PrEN54-10, ЕС НПБ 72-98, НПБ57-97 МВД РФ, ГОСТ 12.2.006-87 п.4.3. Европейский стандарт РгЕЫ54-10, ЕС и др. Стоимость извещателя 1200- 1500$ 7-10,5 тыс. руб. Применение многоспектрального фотогальванического приемника излучения в извещателях пламени обеспечивает им, независимо от динамических характеристик пламени, высокую чувствительность и исключает ложные срабатывания при фоновой засветке от дуговой сварки, люминесцентных ламп и ламп накаливания, солнца, горячих внутренних и внешних стенок различного типа печей с температурой до 1400 С, разрядов молний, электропаяльников, всевозможных видов мерцающих источников с любой цветовой температурой и интенсивностью.
В большинстве случаев после настройки и проверки работоспособности инфракрасных датчиков пламени на специализированных стендах в заводских условиях при их изготовлении, последующая их периодическая поверка на месте использования затруднена. Это объясняется невозможностью использования для контроля естественных типовых источников пламени, поскольку это может привести к возгоранию (взрыву) самого защищаемого объекта. Поэтому, нет сомнений в том, что надежные, безопасные и удобные в использовании тестовые устройства для дистанционной проверки работоспособности датчиков пламени и взрыва в настоящее время весьма востребованы. В связи с этим обстоятельством, на предприятии ОАО «НИИ Гириконд», где вот уже на протяжении многих лет разрабатываются и производятся инфракрасные датчики пламени и взрыва на основе полупроводниковых, многоэлементных, многоспектральных ИК- фотоэлементов, было уделено особое внимание разработке тестового осветительного устройства нового поколения.
Существующие в настоящее время приборы, как отечественного, так и зарубежного производства, для тестирования датчиков в системах пожаротушения и взрывоподавления не лишены ряда присущих им недостатков. Так, например, в источнике тест-сигнала [119] для формирования широкого спектра тестового излучения (от УФ до 10 мкм) используются 3 независимых источника излучения: аналог излучателя абсолютно черного тела, с температурой 1600 К, источник УФ излучения и импульсная газоразрядная лампа, причем для формирования спектра изучения, адекватного спектру пламени, внутренний объем излучателя - имитатора абсолютно черного тела - заполнен смесью углекислого газа и паров воды. Для пропускания инфракрасного излучения до 10 микрометров его окно изготовлено из селенида цинка. Подобное устройство требует изготовления сложных и, соответственно, дорогих источников излучения, имеет большое энергопотребление, значительный вес и габариты.
Компания «Micropack» (Scotland) предложила формирователь тест- сигнала в виде набора светодиодов, излучающих как в видимом, так и в ИК- диапазоне спектра, сформировав, таким образом, необходимый для проверки датчика пламени спектр тестового излучения [120]. Поскольку в настоящее время спектр выпускаемых светодиодов ограничен диапазоном 450 — 1500 нанометров, это устройство непригодно для контроля инфракрасных датчиков пламени, срабатывающих от воздействия пламени, излучающего в диапазоне 1,5 - 4,5 микрон.
Некоторые производители выпускают тест-устройства, ориентированные для использования с определенными специфическими сериями датчиков, например, формирователь TL105, работающий в импульсном режиме, и детекторы серии FL3000/3100, FL4000 фирмы General Monitors (USA), реализующие принцип частотной селекции [121]. Так же существуют приборы, при использовании которых возникают некоторые трудности с наведением пятна на цель, ввиду отсутствия в тест-излучении составляющей видимой части спектра. В этом случае возможно применение лазерных прицелов или коллиматоров, которые, в свою очередь, потребуют периодической проверки точности наведения инфракрасного потока по приспособлениям прицеливания.
