SU1756846A1 - Способ изготовлени металлических зеркал - Google Patents

Abstract

Использование: Б вакуумной технологии изготовлени  оптических покрытий. Сущность изобретени : на подложке требуемой формы создают антиадгезионный слой, на который напыл ют слой металла необходимой толщины, составл ющего антиадгезионную пару с материалом поверхностного сло  подложки. Отделение полученного зеркала от подложки осуществл ют термоударом за счет релаксации напр жений в системе подложка-пленка. Матрица может быть использована многократно.

Description

Изобретение относитс  к вакуумной технологии изготовлени  оптических покрытий , в частности к технологии изготовле- н и  свободных оптических пленок, используемых в адаптивных оптических элементах дл  коррекции волнового фронта или фокусировки в телескопических, измерительных и других приборах, а также в отражател х малой массы.

Известен способ изготовлени  металлических фолы или зеркал, основанный на напылении металла на поверхность подложки с последующим отделением пленки прм растворении матрицы.

Известен способ получени  тонкой металлической фольги без подложки с использованием растворимой полимерной пленки, на поверхность которой осаждают слой металла . Металлизированную пленку погружают в соответствующий растворитель дл 

растворени  полимерной пленки и освобождени  слой металла.

Известен также способ получени  металлической пленки путем напылени  никел  на водорастворимую пленку солей, например KB v. Подложка со слоем металла помещаетс  в воду, и промежуточный слой соли раствор етс .

Недостатком известных способов изготовлени  свободных пленок, основанных на растворении подложки,  вл етс  низкое качество получаемой оптической поверхности из-за наличи  внутренних напр жений в пленке, привод щих к пластическому деформированию поверхности. Это объ сн етс  различием коэффициентов линейного термического расширени  материалов подложки-и пленки и структурным несовершенством покрыти , св занным с услови ми формировани  (температура подложки, скорость конденсации, степень разрежени  в вакуумной камере и т.п.). Наличие значительных напр жений, увеличивающихс  с ростом толщины пленки, ограничивает также диапазон толщин зеркал и класс изготав- ливаемых оптических поверхностей, определ емый в данном случае формой подложки и распределением толщины покрыти .

Наиболее близким к предложенному по своей технической сущности  вл етс  способ изготовлени  металлических зеркал, который состоит в нанесении в высоком вакууме на химически пассивированную поверхность подложки материала зеркала с последующим отделением его от подложки, Антиадгезионным слоем в данном способе служит слой расплава галли , позвол ющий отделить металлическое зеркало от подложки . Между слоем галли  и зеркалом напылением с вакууме создаетс  дополнительный буферный слой CaF, не позвол ющий галлию диффундировать и вступать в химические реакции с материалом металлического зеркала,

Однако известный способ имеет следующие недостатки, Использование жидкого сло  галли  делает практически невозможным изготовление толстых (более 10 мкм) металлических зеркал заданной формы с большой площадью рабочей поверхности, так как силы поверхностного нат жени  расплава галли  недостаточны дл  удержани  в нужном положении относительно испарител  подложки CAFa и формируемого на ней сло  металла с возрастающими с увеличением толщины покрыти  напр жени ми . П рим этом технологический процесс  вл етс  малопроизводительным из-за низкой скорости конденсации материала пленки на подложке. При испопьзовании стационарных испарител  им подложки покрытие имеет существенную неравномерность по толщине, что отрицательно сказываетс  на форме зеркала. Прослойка галли  не позвол ет использовать вращение подложки из-за возникающих центробежных сил и вибраций. Получаема  форма поверхности зеркала  вл етс  квазиплоской , что ограничивает класс возможных поверхностей ,

Недостатком известного способа  вл етс  также использование в качестве рабочей поверхности отражател , формирующей волновой фронт, поверхности , обращенной при изготовлении к испарителю и требующей дополнительной полировки, так как с увеличением толщины покрыти  увеличиваетс  светорассе ние.

Цель изобретени  - расширение класса оптических поверхностей изготавливаемых зеркал и улучшение их качества зз счет снижени  светорассе ни  при отражении при

одновременном увеличении площади и диапазона толщин зеркал,

Поставленна  цель достигаетс  тем, что на подложке требуемой формы создают ан- тиадгеэионный слой, на который напыл ют

0 слой металла необходимой толщины, со ставл гощего антиадгезионную пару с материалом поверхностного сло  подложки, при следующих режимах осаждени : т емперату- ра полложки 80-300°С; скорость коьденса5 ции 0,1 5 мкм/мин, а отделение зеркала от подложки осуществл ют термоударом,

Сопоставительный анализ предлагаемого решени  с известным показывает, что предлагаемый способ отличаетс  от извест0 ного тем, что в качестве антиадгезионного сло  на подложке используетс  модифицированный поверхностный слой, наход щийс  в твердом состо нии, а не в жидком, отделение зеркала от матрицы происходит

5 в результате термоудара за счет релаксации напр жений в системе подложка-пленка, При этом в качестве отражающей рабочей поверхности зеркала может использоватьс  как поверхность, обращенна  при изготов0 пенни киспарителю(поверхностьроста),так и порсрхность, контактирующа  с подложкой , имеюща  макроформу и микрогеометрию подложки-матрицы и не требующа  дл  снижечи  светорассе ни  дополнительной

5 полировки даже при значительных толщинах зеркала.

В качестве подложки-матрицы используютс  различные металлы, спл вы, оптические стекла, обработанные с требуемой

0 чистотой и шероховатостью и имеющие необходимую форму поверхности. На рабочей поверхности матрицы создают антиадгезионный слой, который обеспечивает пассивацию поверхности и создание барьера при

5 диффузионных процессах, имеющих место при повышенных температурах. Антиаде- зионный слой может быть реализован различными способами. Так, при использовании в качестве подложки кварце0 вого стекла (SiOz) дл  создани  модифицированной антиадгезионной поверхности достаточно провести термообработку подложки в воздушной или кислородной среде при 200-300°С, помеща  затем ее в гор чем

5 состо нии в вакуумную камеру дл  нанесени  материала зеркала,

Античдгезионный слой может быть получен созданием на поверхности матрицы окисных слоев путем термообработки, химической обработки и т.п. В качестве антиадгезионных слоев могут использоватьс  вакуумные покрыти  из различных материалов , в первую очередь из окислов или фторидов металлов, например циркони  или фтористого магни  Такие слои имеют определенные преимущества, так как их создание можно обеспечить в едином технологическом процессе с формированием зеркального оптического элемента. При этом окислы обладают по сравнению с фто- ридами более высокой механической прочностью и термостойкостью

Затем на антиадгезионный слой в вакууме преимущественно электронно-лучевым или резистивным методами испарени  на- носитс  покрытие из химически пассивного металла, не вступающего в химические реакции с барьерным слоем, например, из ни- кел , меди, золота, нихрома и др. Сцепление металлического зеркала с мат- рицей осуществл етс  силами Ван-дер-Ва- альса При этом экспериментально установлено, что дл  обеспечени  минимальных значений напр жений в покрытии необходимо проводить формирование сло  при указанных режимах Наиболее критичным параметром  вл етс  температура под- ложки во врем  конденсации При температуре подложки менее 80°С наблюдаетс  значительный рост кристаллитов, по- крытие получаетс  рыхлым, пористым, ухудшаютс  как механические, так и оптические характеристики зеркала При температуре более 300°С происходит увеличение внутренних напр жений в сло х и растет светорассе ние При скорости конденсации 0,1-5 мкм/мин слои имеют оптимальные механические и оптические характеристики. Отделение покрыти  от подложки происходит в результате термоудара за счет релак- сации напр жений в системе подложка-пленка.

Дл  качественного отделени  достаточно организовать охлаждение подложки с покрытием со скоростью 1-5°С/с. Зэкрепле- ние металлического зеркала осуа(ествл ют механически или при помощи адгезива, имеющего минимальную усадку при затвердевании Тонкое металлическое зеркало толщиной пор дка 0,1-1 мм с достаточно большой крутизной поверхности обладает достаточно большой жесткостью, чтобы фиксировать свою форму, так как предлагаемый способ обеспечивает минимальные внутренние напр жени  в материале зерка- ла, близкие к нулевым. Точна  форма зерка- па может регулироватьс  с помощью различных устройств, разработанных в области адаптивной оптики Начальна  форма поверхности,отлична  от плоской, позвол ет в режиме адаптивного управлени  измен ть волновые фронты не только плоские, но и сферические, асферические. Оптические элементь) с измен емой кривизной могут служить в качестве компенсаторов в интерферометрах, в качестве концентраторов энергии в лазерной технике и т п. В качестве отражающей рабочей поверхности зеркала может использоватьс  поверхность роста сло  при малых толщинах зеркала (до 30-50 мкм) или поверхность, контактирующа  с подложкой, имеюща  макроформу и микрогеометрию матрицы независимо от общей толщины зеркала, Необходимо отметить, что зеркало может быть многослойным - при послойном формировании зеркала - или композитным - при одновременном напылении нескольких веществ как металлов, так и диэлектриков (оксидов , карбидов и др.). При этом необходимым фактором технологического процесса остаетс  создание антиадгезионной пары веществ, котора  обеспечивает отделение металлического или композитного зеркала от подложки-матрицы.

Пример Покрытие нанос т в вакуумной установке, имеющей электронно-лучевой испаритель и устройство дл  креплени  и вращени  подложки, геометри  которого позвол ет обеспечить равномерное распределение покрыти  по поверхности подложки . В качестве подложки используют оптическое стекло требуемой формы и микрогеометрии . На предварительно очищенную в тлеющем разр де подложку электронно-лучевым испарением наноситс  слой оксида циркони  ZrOa толщиной 0,2-0,5 мкм. Затем на антиадгезионный слой оксида наноситс  слой металла требуемой толщины. При нанесении никелевого сло  используетс  метод электронно-лучевого испарени  из графитового тигл . Режимы напылени :

Температура подложки

(начало конденсации сло ), °С 220

Температура подложки

(максимальна ), °С300

Средн   скорость

конденсации, мкм/мин0,1

Давление в рабочей

камере, Па (1,5-80)КГ4.

Рост температура подложки в процессе формировани  сло  св зан с ее дополнительным разогревом за счет поглощени  излучени  от испарител  оснасткой вакуумной камеры и подложкодержателем с подложкой , а также за счет выделени  скрытой теплотыфазовогоперехода , высвобождающейс  в процессе конденсации и кристаллизации паров металла. После

окончани  формировани  необходимоитол- щины пленки никел  подложку охлаждают до 70-90°С а услови х вакуума в камере, а затем производ т напуск воздуха, Отделение полученного зеркала осуществл ют термоударом со скоростью охлаждени  1-5°С/с, Закрепление металлического зеркала осуществл ют как механически, так и при помощи адгезива, имеющего минимальную усадку при затвердевании,

Процесс изготовлени  зеркал, в которых в качестве отражател  используетс  медна  пленка, аналогичен приведенному. На предварительно сформированный слой оксида наноситс  слой меди электронно-лучевым испарением из керамического тип  AteOs при использовании следующих режимов напылени ; Температура подложки (начало конденсации сло ), °С 80

Температура подложки

(максимальна ), °С110

Средн   скорость

конденсации, мкм/мин 5

Давление в рабочей

,, Па(1,5-80)10

Результаты экспериментов при использовании указанных крайних значени х режимов технологического процесса напыпени  в вакууме представлены в таблице.

Характеристики однослойных никеле вых зеркал:

Диапазон толщин,

мкм1-1000

ч-4

-

Плоска , сферическа , 35

асферическа 

до 500

0,0540

10

15

20

25

30

35

40

Чистота, классV

Подложка-матрица может быть использована в технологическом процессе многократно без дополнительной переполировки и нанесени  антиадгезионного сло  (до 20- 25 копий).

Таким образом, совокупность операций позвол ет существенно расширить класс оптических поверхностей изготавливаемых зеркал и улучшить их качество, увеличить площадь и диапазон толщин при минимизации внутренних напр жений в пленке выбором оптимальных условий конденсации материала зеркала.

Себестоимость получаемых металлических зеркал невысока, технологи  изготовлени  нетрудоемка.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ изготовлени  металлических зеркал, заключающийс  в осаждении в высоком вакууме на пассивированную поверхность подложки материала мембраны с последующим отделением мембраны от подложки, отличающийс  тем, что, с целью расширени  класса оптических по верхногтей изготавливаемых зеркал и улучшени  их качества за счет снижени  светорассе ни  при отражении при одновременном увеличении площади и диапазо на толщин мембранных зеркал, на подложке требуемой формы создают анги- адгезиониый слой, на который осаждают слой металла необходимой толщины, химически не взаимодействующего с материалом антиадгезионного сло  при следующих режимах осаждени 1 температура подложки 80-300°С; скорость конденсации 0,1-5 M iw/мин, а отделение полученной мембраны осуществл ют термоудгоом.