Субстрат с фильтром фабри-перо и способ нанесения фильтра на субстрат

Изобретение относится к оптике. Предложен субстрат с нанесенным на него фильтром Фабри-Перо, состоящим по меньшей мере из трех слоев, причем первый и второй светоотражающие слои фильтра с обращенными друг к другу отражательными наружными поверхностями отделены друг от друга зазором толщиной d, в котором находится светопроницаемый промежуточный слой. Отражающие слои выполнены из одного и того же основного материала, а промежуточный слой - из вещества, являющегося химическим соединением этого основного материала с другим материалом. Технический результат - фильтр может быть нанесен за один рабочий ход в одной установке для вакуумного напыления с помощью одного испарительного устройства. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение касается субстрата с нанесенным на него фильтром Фабри-Перо, состоящим, по меньшей мере, из трех слоев, причем первый и второй (свето)отражающие слои фильтра с обращенными друг к другу отражающими наружными поверхностями разделены зазором толщиной d и расположенным в нем светопроницаемым промежуточным слоем.

Подобные фильтры Фабри - Перо, называемые также слоями Фабри-Перо, напыляются, например, на декоративные пленки. Согласно ЕР 0878899 система слоев фильтра состоит из металлически отражающего основного слоя, на который нанесен прозрачный промежуточный слой SiO толщиной от 50 до 2000 нанометров (нм). Завершает систему слоев частично светопроницаемый отражающий слой металла толщиной от 0,2 до 60 нм. С помощью таких слоев достигаются интересные цветовые конфигурации. Однако их изготовление с помощью имеющихся в настоящий момент технических средств требует высоких производственных затрат.

Обычные установки вакуумного напыления могут при одном проходе субстрата нанести только один слой определенного материала. Если покрытие состоит из нескольких слоев, необходимо выполнить несколько проходов, т.е. для каждого прохода нужно заново производить заправку установки соответствующим материалом и откачку газа (обезгаживание). Необходимые для этого время и соответствующий персонал снижают производительность и увеличивают расходы на производство.

В принципе, можно было бы себе представить установку вакуумного напыления, в которой установлены несколько устройств для напыления, в которых на субстрат последовательно наносятся различные слои. Однако, как правило, этот путь нецелесообразен, т.к. с ним связаны значительные дополнительные инвестиционные расходы.

Таким образом, предлагаемое изобретение решает проблему создания способа, с помощью которого можно нанести на субстрат в виде покрытия фильтр Фабри-Перо, обладающий теми же цветовыми эффектами, как и уже известные покрытия, причем фильтр должен быть таким, чтобы его можно было бы изготавливать на обычных производственных установках.

Далее, изобретение также решает проблему разработки способа, с помощью которого такое покрытие можно было бы наносить на субстрат на одной установке с только одним испарительным устройством.

Первая проблема решается за счет того, что отражающие слои выполняют из одного и того же основного материала, а промежуточный слой - из химического соединения этого основного материала с другим материалом.

Подобная структура покрытия показала (как было установлено на опытах с алюминием в качестве основного материала и кислородом в качестве другого материала), что полученные фильтры вызывают те же цветовые эффекты, что и слои Фабри-Перо, полученные в соответствии с вышеуказанным уровнем техники. Однако их можно значительно проще и более простыми средствами нанести на субстрат. Испарительное устройство установки для нанесения покрытий должно быть укомплектовано только одним основным материалом, и при его испарении образуются соответственно оба отражающих слоя. Для образования промежуточного слоя к пару металла подводят другой материал, который вместе с основным материалом может осаждаться на первом отражающем слое.

Обычно в качестве основного материала употребляется металл, а в качестве другого материала - кислород, который через соответствующие подводы подается в обезгаживаемую (вакуумируемую) испарительную камеру. Необходимые для этого системы и способы действий широко известны. Благодаря подводу кислорода возникает так называемое реактивное покрытие, т.к. кислород в облаке паров металла частично химически соединяется с атомами или ионами (или же с молекулами) металла, частично вместе с облаком осаждается на субстрат и только там вступает в реакцию с металлом. При этом реакции проходят не полностью, так что возникают покрытия, демонстрирующие не абсолютно стехиометрическое распределение участвующих реагентов.

Особенно легко использовать в качестве основного материала алюминий, при этом промежуточный слой состоит из оксида алюминия со структурной формулой Al₂О₃.

Вместо кислорода может быть использован азот, и тогда промежуточным слоем служит соединение металла с азотом, например нитрид алюминия, если в качестве металла взят алюминий.

В отдельных случаях, например, когда в качестве субстрата употребляются пленки, в частности упаковочные пленки, материал фильтра должен быть в целом светонепроницаемым. Это качество достигается тем, что прилегающий к субстрату первый отражающий слой является светонепроницаемым, а расположенный снаружи второй отражающий слой - частично светопроницаемым. Этот эффект достигается при соответствующей толщине каждого слоя. Значения этих толщин в данном случае должны располагаться для первого отражающего слоя в интервале между 50 и 200 нм, а промежуточный слой в зависимости от нужных изготовителю свойств фильтра будет иметь толщину от 50 до 2000 нм.

Для решения второй проблемы настоящим изобретением предлагается способ нанесения фильтра, включающий следующие этапы:

- наличие установки для вакуумного напыления с испарительным устройством в вакуум-камере, оснащенной устройством для вакуумирования (обезгаживания), а также с приспособлением для подвода материала;

- загрузка основного материала в испарительное устройство;

- закрытие вакуум-камеры и создание в ней вакуума;

- только испарение основного материала и осаждение его как первого слоя на субстрате;

- испарение основного материала при одновременном вводе в вакуум-камеру другого материала, так что на покрытый первым слоем субстрат реактивно напыляется промежуточный слой из основного и другого материала;

- только испарение основного материала, осаждение его на промежуточный слой и, тем самым, образование второго отражающего слоя;

- открытие камеры нанесения покрытия и выемка снабженного фильтром субстрата.

Как это следует из содержания вышеизложенных этапов, одна установка для вакуумного напыления с одним единственным испарительным устройством в состоянии провести нанесение покрытия за один цикл вакуумирования (обезгаживания). Установка подвергается вакуумированию только один раз. Только после того, как состоящий из трех слоев фильтр Фабри-Перо будет полностью создан, установка для нанесения покрытия открывается и вынимается напыленный субстрат.

Поскольку, как это изложено выше, в качестве другого материала подводится газ, в частности кислород, то приспособление для подвода материала содержит подвод газа в виде трубки с ланцетообразным (щелеобразным) концом, через которую газ подается в район облака испарений.

Для нанесения покрытия на пленки установка для нанесения покрытий снабжена охлаждаемым покрывным валом, на котором пленка развертывается, и при этом на нее из расположенного под испарительно-покрывным валом испарительного устройства напыляется покрытие. Далее, вакуум-камера имеет два питающих ролика, причем пленка сперва сматывается с первого ролика и наматывается на второй. При нанесении промежуточного слоя ролики меняются функциями. Намотанная в течение первого прохода на второй ролик пленка вновь разматывается с него, а на первый ролик наматывается, заполняя его. В течение третьего прохода наносится второй отражающий слой, причем пленка вновь сматывается с первого ролика и наматывается на второй.

Как следует из вышеизложенного, известные простые установки для нанесения покрытий нужно будет лишь незначительно изменить. Следует позаботиться исключительно лишь об установке дополнительно предусматриваемых направляющих роликов для подвода пленки к питающим роликам таким образом, чтобы пленка могла проходить через систему как в одном, так и в другом направлении.

Ниже на практическом примере реализации подробнее разъясняется суть изобретения. На прилагаемых чертежах изображено:

на фиг.1 - типичная структура фильтра Фабри-Перо на субстрате;

на фиг.2 - диаграмма зависимости отражательных свойств фильтра от различных длин волн, а также от толщины d промежуточного слоя;

на фиг.3 - схематическое изображение установки вакуумного напыления.

Обратимся к фиг.1. Она показывает в поперечном разрезе фильтр 1 Фабри-Перо на субстрате 2. Фильтр 1 состоит из трех слоев, а именно первого отражающего слоя 3 из алюминия, нанесенного на него промежуточного слоя 4 толщиной d из оксида алюминия Al₂O₃ и нанесенного на него второго отражающего слоя 5, также из алюминия. Как это видно на чертеже, первый отражающий слой 3 значительно толще, чем второй отражающий слой 5. При этом первый отражающий слой 3 является светонепроницаемым, в то время как второй наружный слой 5 частично светопроницаем.

Лучи света 6, проникающие в фильтр 1, отражаются туда и обратно между отражательными поверхностями 7 и 8 отражающих слоев 3 и 5, причем свет с длиной волны, соответствующей толщине d промежуточного слоя 4, частично абсорбируется из-за интерференции. Благодаря этому получаются спектры 9 и 10, представленные на диаграмме на фиг.2.

На оси Х диаграммы отложены длины волн от 400 до 800 нм, на оси Y - отражательная способность фильтра в %. В основе спектров 9 и 10 лежит фильтр, у которого первый отражающий слой 3 имеет толщину 100 нм, а второй отражающий слой 5 имеет толщину 10 нм. У спектра 9 (утолщенная кривая) толщина промежуточного слоя составляет 200 нм, так что длины волн в диапазоне 530 нм сильно поглощаются, т.е. не отражаются. При толщине промежуточного слоя 62,5 нм получается другой спектр - 10 (тонкая кривая) с минимумом отражательной способности для длин волн около 430 нм.

Слой, соответствующий спектру 9, имеет пониженную отражательную способность в области зеленого цвета, поэтому возникает отражение (рефлекс), отчетливо окрашенное в пурпурную краску. У другого спектра - 10 возникает желтовато-зеленый цветовой рефлекс.

Нанесение покрытия на пленку производится с помощью установки для нанесения покрытий, как это схематически показано на фиг.3.

Установка 11 состоит из разделенной пополам вакуум-камеры 12 с нижней и верхней вакуум-камерами 13 и 13', причем в нижней камере 13 размещено испарительное устройство 14. Им может служить тигель, воспринимающий испаряемый материал, который испаряется в тигле с помощью не показанной здесь достаточно подробно электронной пушки. Пар 15 поступает на пленку 16, которая разматывается на охлаждаемом покрывном валу 17, располагающемся в отверстии в перегородке 18 между обеими вакуум-камерами 13 и 13'. В нижней вакуум-камере 13 дополнительно расположена трубка 19 с ланцетообразным (щелеобразным) концом, через которую из наружного подвода 20 в облако паров 15 подается газ, например кислород. В верхней, второй вакуум-камере 13' расположены первый питающий ролик 21 и второй питающий ролик 22. При первом проходе первый питающий ролик 21 разматывает пленку, наматывающуюся на второй питающий ролик 22. При этом на пленку наносится испаряемый в тигле материал, например алюминий. Толщина слоя определяется прежде всего скоростью передвижения пленки. При втором проходе процесс перемотки пленки идет в обратном направлении. Пленка 16 сматывается со второго питающего ролика 22 и опять наматывается на первый питающий ролик 21. При втором проходе в облако паров 15 через трубку 19 подается кислород. При этом облако паров 15 может возбудить микроволновое поле. Кислород соединяется с испаряемыми атомами металла и осаждается с ними на первый отражающий слой 3 в качестве промежуточного слоя 4. Химическое соединение в оксид алюминия частично наступает лишь тогда, когда оба материала осаждаются в виде слоя. Этот процесс называется также реактивным нанесением покрытия.

Во время третьего прохода направление транспортировки питающих роликов 21 и 22 вновь меняется на обратное и, благодаря происходящему процессу - исключительно только испарения металла, наносится второй отражающий слой.

1. Субстрат с нанесенным на него фильтром Фабри-Перо, состоящим по меньшей мере из трех слоев, причем первый и второй светоотражающие слои фильтра с обращенными друг к другу отражательными наружными поверхностями отделены друг от друга зазором толщиной d, в котором находится светопроницаемый промежуточный слой, отличающийся тем, что отражающие слои (3, 5) выполнены из одного и того же основного материала, а промежуточный слой (4) - из вещества, являющегося химическим соединением этого основного материала с другим материалом.

2. Субстрат по п.1, отличающийся тем, что основной материал представляет собой металл, а другой материал - кислород, при этом отражающие слои (3, 5) являются металлическими слоями, а промежуточный слой (4) образован оксидом металла, имеющим стехиометрический или же не стехиометрический состав.

3. Субстрат по п.1, отличающийся тем, что металлом является алюминий, при этом промежуточный слой (4) состоит из оксида алюминия.

4. Субстрат по п.1, отличающийся тем, что основным материалом является металл, а другим материалом - азот, при этом отражающие слои (3, 5) являются металлическими слоями, а промежуточный слой (4) образован соединением металла с азотом, имеющим стехиометрический или же не стехиометрический состав.

5. Субстрат по п.4, отличающийся тем, что металлом является алюминий, при этом промежуточный слой (4) состоит из нитрида алюминия.

6. Субстрат по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что прилегающий к субстрату (2) первый отражающий слой (3) является светонепроницаемым, а наружный второй отражающий слой (5) частично светопроницаемым.

7. Субстрат по п.6, отличающийся тем, что прилегающий к субстрату (2) первый отражающий слой (3) имеет толщину между 10 и 200 нм, второй отражающий слой (5) - между 1 и 20 нм, а промежуточный слой (4) в зависимости от желаемых свойств фильтра (1) - между 50 и 2000 нм.

8. Способ нанесения фильтра на субстрат по любому из пп.1-7, характеризующийся следующими этапами:

обеспечение установкой для вакуумного напыления с испарительным устройством в вакуум-камере, оснащенной устройством для вакуумирования и приспособлением для подвода материала,

загрузка основного материала в испарительное устройство,

закрытие вакуум-камеры и создание в ней вакуума,

испарение только основного материала и осаждение его в виде первого слоя на субстрате,

испарение основного материала при одновременном вводе в вакуум-камеру другого материала, при этом на покрытый первым слоем субстрат реактивно напыляют промежуточный слой из основного и другого материала,

только испарение основного материала и осаждение его на промежуточный слой с образованием второго отражающего слоя,

открытие камеры нанесения покрытия и выемка субстрата с напыленным покрытием.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что приспособлением для подвода материала служит подвод газа.

10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что субстратом для напыления служит пленка (16), которую разматывают через находящийся над испарительным устройством покрывной вал (17).

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что вакуум-камера включает два питающих ролика, при этом пленку для напыления отдельных слоев попеременно сматывают с одного питающего ролика (21, 22) и соответственно наматывают на другой ролик (22, 21).