Способ изготовления металлических зеркал

 

Использование: Б вакуумной технологии изготовления оптических покрытий. Сущность изобретения: на подложке требуемой формы создают антиадгезионный слой, на который напыляют слой металла необходимой толщины, составляющего антиадгезионную пару с материалом поверхностного слоя подложки. Отделение полученного зеркала от подложки осуществляют термоударом за счет релаксации напряжений в системе подложка-пленка. Матрица может быть использована многократно.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.(si)s 6 02 В 5/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4783368/10 (22) 29.11.89 (46) 23.08.92,Бюл.N 31 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) А.

С 23 С 17/00, 1983, Приборы и техника эксперимента 1968, N 5, с,219.

Изобретение относится к вакуумной технологии изготовления оптических покрытий, в частности к технологии изготовлЕ- н ия свободных оптических пленок, используемых в адаптивных оптических элементах для коррекции волнового фоонта или фокусировки в телескопических, измерительных и других приборах, а также в отражателях малой массы.

Известен способ изготовления металлических фольг или зеркал, основанный на напылении металла на поверхность подложки с последующим отделением пленки при pàñтворении матрицы.

Известен способ получения тонкой металлической фольги без подложки с использованием растворимой полимерной пленки, на поверхность которой осаждают слой металла, Металлизированную пленку погружают в соответствующий растваритель для

ЯХ„„1756846 А1 (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИ"IECKMX ЗЕРКАЛ (57) Использава -;ие: в вакуумной технологии изготовления оптических покрытий. Сущность изобретения: на подложке требуемой формы создают антиадгезионный слой, на который напыляют слой металла необходимой толщины, составляющего антиадгезионную пару с материалом поверхностного слоя подложки, Отделение полученного зеркала ат подложки осуществляют термоударом за счет релаксации напряжений в системе подложка-пленка. Матрица может быть использована многократно. растворения полимерной пленки и освобождения слоя металла.

Известен также способ получения металлической пленки путем напыления никеля на водорастворрймую пленку солей, например КВг, Подложка со слоем металла помещается в воду, и промежуточный слой соли растворяется.

Недостаткам известных способов изготовления свободных пленок, основанных на растворении подложки, является низкое качество получаемой оптической поверхности из-за наличия внутренних напряжений в пленке, приводящих к пластическому двформираванию паверхностй. Это обьясняется различием коэффициентов линейного термического расширения материалов подложки и пленки и структурным несовершенством покрытия, связанйым с условиями с формирования (температура подложки, ско1756846

25 >0

55 рость конденсации, степень разрежения в вакуумной камере и т,п.). Наличие значительных напряжений, увеличивающихся с ростом толщины пленки, ограничивает также диапазон толщин зеркал и класс изготавливаемых оптических поверхностей, определяемый в данном случае формой под ложки и распределением толщины покрыт1ля.

Наиболее близким к предложенному по своей технической сущности является способ изготовления 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 галлия, позволяющий отделить металлическое зеркало от подложки, Между слоем галлия и зеркалом напылением в вакууме создается дополнительный буферный слой CaFz., не позволяющий галли о диффундировать и вступать в химические реакции с материалом металлического зеркала, (!днако известный способ имеет следующие недостатки, Использование жидкого слоя галлия делает практически невозможным изготовление толстых (более 10 ьл<м) металлических зеркал заданной формы с большой площадью рабочей поверхности, так как силы поверхностного натяжения. расплава галлия недостаточны для удержания в нужном поло>кении относительно испарителя подло>кки CAFE и формируемого на ней слоя металла с возрастающими с увеличением толщины покрытия напря:кениями. П рим этом технологический процесс является малопроизводительным из-за низкой скорости конденсации материала пленки на подложке. При использовании стационарных испарителя им подложки покрытие имеет существенную неравномерность по толщине, что отрицательно сказывается на форме зеркала. Прослойка галлия не позволяет использовать вращейие подложки иэ-за возникающих центробежных сил и вибраций. Получаемая форма поверхности зеркала является кваэиплоской, что ограничивает класс возможных поверхностей, Недостатком известного способа является также использование в качестве рабочей поверхности отражателя, формирующей волновой фронт, поверхности, обращенной при изготовлении к испарителю и требующей дополнительной полировки, так как с увеличением толщины покрытия увеличивается светорассеяние.

Цель изобретения — расширение класса оптических поверхностей изготавливаемых зеркал и улучшение их качества эа счет снижения светорассеяния при стра>кении при одновременном увеличении площади и диапазона толщин зеркал, Поставленная цель достигается тем, что на подложке требуемой формы создают антиадгезионный слой, на который напыляют слой металла необходимой толщины, составляющего антиадгезионную пару с материалом поверхностного слоя подло>кки, при следующих режимах осаждения: температура подложки 80-300 С; скорость конденсации О, ; -5 мкмlмин, а отделение зеркала от подложки осуществляют термоударом, Сопоставительный анализ предлагаемого решения с известным показывает, что предлагаемый способ отличается от известнога тем, что в качестве антиадгезионного слоя на подложке используется модифицированный поверхностный слой, находящийся в твердом состоянии, а не в жидком, отделение зеркала от матрицы происходит в результате термоудара за счет релаксации напряжений в системе подложка-пленка, При этом в качестве отра>кающей рабочей поверхности зеркала может использоваться как поверхность, обращенная при изготовJl8HviM к испарителю(поверхность роста), так и повеохность, контактиоующая с подложкой, имеющая макроформу и микрогеометрию подложки-матрицы и не требующая для сниже: ия светорассеяния дополнительной полировки даже при значительных толщинах зеркала, В качестве подложки-матрицы используются различные металлы, сплавы, оптические стекла, обработанные с требуемой чистотой и шероховатостью и имеющие необходимую форму поверхности. На рабочей поверхности матрицы создают антиадгезионный слой, который обеспечивает пассивацию поверхности и создание барьера при диффузионных процессах, имеющих место при повышенных температурах, Антиадгезионный слой может быть реализован различными способами, Так, при использовании в качестве подложки кварцевого стекла (Si0z) для создания модифицированной антиадгезионной поверхности достаточно провести термообработку подложки в воздушной или кислородной среде при 200-300" С, помегцая затем ее в горячем состоянии в вакуумную камеру для нанесения материала зеркала, Антиадгезионный слой может быть получен созданием на поверхности матрицы окисных слоев путем термообработки, химической обработки и т,п. В качестве антиадгезионных слоев могут использоваться ет в режиме адаптивного управления измевакуумные покрытия из различных матери- нять волновые фронты не только плоские, алов, в первую очередь, из окислов или фто- но и сферические, асферические. Оптичеридов металлов, например. окиси циркония ские элемейтИ с изменяемой кривизной моили фтористого магния. Такие слои имеют 5 гут служить в качестве коМпенсаторов в определенные преимущества, так как их со- интерферометрах, в качестве конздание можно обеспечить в едином техно- . центраторов энергии в лазерной технике и логическом процессе с формированием т.п, В качестве отражающей рабочей поверзеркального оптического элемента. При хности зеркала может использоваться поэтом окислы обладают по сравнению с фто- 10 верхность роста слоя при малых толщинах ридами более высокой механической проч- зеркала(до 30-50мкм)или поверхность, конностью и термостойкостью.. тактирующая с подложкой, имеющая макроЗатем на антладгеэионный слой в ваку- форму и микрогеометрию матрицы уме преимущественно электронно-лучевым независимо от общей толщины зеркала, Неили резистивным методами испарения на- 15 обходимо отметить, что зеркало может быть носится покрытие иэ химически ассивного многослойным — при послойном формирометалла, не вступающего в химические ре- вании зеркала — или комйозитным — при акции с барьерным слоем, например, из ни-. одновременном напылении нескольких векеля, меди, золота, нихрома и др. ществ как металлов, так и диэлектриков(окСцепление металлического зеркала с мат- 20 сидов, карбидов и др.). При этом рицей осуществляется силами Ван-дер-Ва- . необходимым фактором технологического альса, При этом экспериментально процесса остается создание антиадгезионустановлено, что для обеспечения мини- ной пары веществ, которая обеспечивает мальных значений напряжений в покрытии отделение металлического или композитнонеобходимо проводить формирование слоя. 25 го зеркала от подложки-матрицы. при укаэанных режимах. Наиболее критич- Пример. Покрытие наносят в вакуумным параметром является температура под- ной установке, имеющей электронно-лучеложки во время конденсации. При вой испарительи устройстводля крепления температуре подложки менее 80 С наблю- . и вращения подложки, геометрия которого дается значительный рост кристаллитов, по- 30 позволяет обеспечить равномерное распрекрытие получается рыхлым, пористым, деление покрытия йо-поверхности подложухудшаются как механические,так иоптиче-" ки. В качестве- подложки используют ские характеристики зеркала, При темпера- оптическое стекло требуемой формы и миктуре более 300 С происходит увеличение рогеометрии. На предварительно очищенвнутренних напряжений в слоях и растет 35 ную в тлеющем разряде подложку светорасссрйие, При скорости конденсации электронно-лучевым испарением наносит0,1-5 мкм/мин слои имеют оптимальные ме- " ся слой оксида циркония ЕгО толщиной ханические и оптические характеристики. 0,2-0,5 мкм, Затем на антиадгезионный

Отделение покрытия от подложки пройсхо- слой оксида наносится слой металла требудит в результате термоудара эа счет релак- 40 емой толщины. При нанесении никелевого сации напряжений в системе: слоя используется метод злектронйо-лучеподложка-пленка. вого испарения из графитового тигля. РежиДля качественного отделения достаточ- мы напыления: но организовать охлаждение подложки с- Температура подложки покрытием со скоростью 1-5 С! с, Закрепле- 45 (начало конденсации слоя), С 220 ние металлического зеркала осуществляют.,: Температура подложки механически или при помощи адгезива, (максимальная), С . 300 имеющего минимальную усадку при затвер- Средняя скорость девании. Тонкое металллческое зеркало конденсации, мкм/мин . 0,1 толщиной порядка 0,1-1 мм с достаточно 50 Давление в рабочей большой крутизной поверхности обладает . камере, Па (1,5-80) . 10-4 достаточно большой жесткостью, чтобы --Рост температура подложки в процессе фиксировать свою форму, так как предлага- формирования слоя связан с ее дополниемый способ обеспечивает минимальные - тельным разогревом за счет поглощения извнутренние напряжения в материале зерка- 55 лучения от испарителя оснасткой вакуумной ла, близкиекнулевым,Точная формазерка- камеры и подложкодержателем с подложла может регулироваться с помощью кой, а также за счет выделения скрытой тепразличных устройств, разработанных в об- лоты фазового перехода, ласти адаптивной оптики, Начальная форма высвобождающейся в процессе конденсаповерхности, отличная от плоской, позволя- ции и кристаллизации паров металла. После ктери ллич з8рка ина 3 хова

Rz 0,0 ота V ина 8 хова 0,0 та 1/ окончания формирования необходимсйтолщины пленки никеля подложку охлаждают до 70-90 С в условиях вакуума в камере, а затем производят напуск воздуха. Отделение полученного зеркала осущеСтвляюттер- 5 моударом со скоростью охлаждения

1-5 С/с. Закрепление металлического зеркала осуществляют как механически, так и при помощи адгезива, имеющего минимальную усадку при затвердевании, t0

Процесс изготовления зеркал, в которых в качестве отражателя используется медная пленка, аналогичен приведенному.

На предварительно сформированный слой оксида наносится слой меди злектронно-лу- 15 чевым испарением из керамического тигля . АЬОз при использовании следующих режимов напыления; Температура подложки (начало конденсации слоя), OÑ 80

Температура подложки 20 (максимальная), С 110

Средняя скорость конденсации,мкм/мин 5

Давление в рабочей

; амере, Па (1,5-80) 10 ", 25

Г"езультаты экспериментов при исг!ользовании указанных крайних значениях режимов технологического процесса напыления в вакууме представлены в таблице.

Характеристики однослойных никеле- 30 вых зеркал:

Диапазон толщин, м км 1-1000

Форма рабочей поверхности Плоская, сферическая, 35 асферическая

Диаметр рабочей поверхности, мм до 500

Шероховатость поверхности R< 0,05 40

Чистота, класс V

Подложка-матрица может быть исполь.зована в технологическом процессе многократнО без дополнительной Il8p8IloflL рОвки и нанесения антиадгезионного слоя (до 2025 копий).

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

Себестоимость получаемых металлических зеркал невысока, технология изготовления нетрудоемка, Формула изобретения

Способ изготовления металлических зеркал, заключа1ощийся в осаждении в высоком вакууме на пассивированную поверхность подложки материала мембраны с последующим .отделением мембраны От подложки, о т л и ч а ю щ и и с л тем, что, с целью расширения класса оптических поверхностей изготавливаемых зеркал и улучшения их качества за счет снижения светОрасс8яния IlpM Отражении при ОднОвременном увеличении площади и диапазона тол щин мембранных зеркал, на подложке требуемой формы создают антиадгезйонный слой, на который осажда1от слой металла необходимой толщины, химически не взаимодействующего с материалом антиадгезионного слоя при следу1ощих режимах осаждения: температура подложки 80-300 С; скорость конденсации

0,1-5 мкм/мин, а отделение полученной мембраны осуществляют термоудаоом,