ChSTU repository

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
  
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ  
АВТОТРАНСПОРТУ ТА МАШИНОБУДУВАННЯ 
  
КАФЕДРА ПРИЛАДОБУДУВАННЯ, МЕХАТРОНІКИ ТА 
КОМП‘ЮТЕРИЗОВАНИХ ТЕХНОЛОГІЙ 
  
 
 
Допущено до захисту 
Завідувач кафедри ПМКТ  
     Максим БОНДАРЕНКО 
 « »    2022 р. 
 
 
 
 
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА 
до кваліфікаційної роботи 
 магістра    / 
 
на тему  «Розроблення та дослідження інформаційно-вимірювальної системи     
   товщини тонких покриттів в процесі їх осадження у вакуумі»    
 
Кваліфікаційна робота магістра містить результати власних досліджень. 
Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на 
відповідне джерело 
 
 
Виконав здобувач вищої освіти освітнього 
ступеня «магістр» 2 курсу, групи   М–014 
за спеціальністю 152 «Метрологія та   
інформаційно-вимірювальна техніка»  
за освітньою програмою «Метрологія та 
інформаційно-вимірювальна техніка»  
 
    Лесіч В. О.   
   
Керівник    Бондаренко М. О.  
  
Рецензент    Тимчик Г. С.   
  
 
 
 
Черкаси – 2022 року 
   ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ   
 (повне найменування вищого навчального закладу) 
Факультет    електронних технологій, автотранспорту та машинобудування   
Кафедра   приладобудування, мехатроніки та  комп’ютеризованих технологій   
Освітній рівень       магістр      
Спеціальність   152 «Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка»   
Освітня програма    «Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка»   
                                                                                                                                            (шифр і назва)                                              
 
ЗАТВЕРДЖУЮ 
Завідувач кафедри ПМКТ 
___________Максим БОНДАРЕНКО 
“____” _________________2022 року 
 
З  А  В  Д  А  Н  Н  Я 
НА КВАЛІФІКАЦІЙНУ РОБОТУ МАГІСТРА 
       Лесіча Вадима Олександровича     
(прізвище, ім’я,  по батькові) 
1. Тема роботи: Розроблення та дослідження інформаційно-вимірювальної системи товщини 
тонких покриттів в процесі їх осадження у вакуумі  
 
науковий керівник роботи Бондаренко Максим Олексійович, д-р. техн. наук, проф., зав. кафедри ПМКТ  
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
затверджені наказом вищого навчального закладу від “13” вересня 2022 року № 234/04 
 
2. Строк подання ЗВО роботи      19 грудня 2022 року     
 
3. Мета дослідження: підвищення точності та оперативності визначення товщини тонких 
покриттів в процесі їх осадження у вакуумі шляхом розроблення та дослідження інформаційно-
вимірювальної системи, в якості вимірювального елементу якої використовується кварцовий 
резонатор та подальшого її впровадження в конструкцію промислової вакуумної електронно-
променевої установки, що дозволяє покращити технологічний процес отримання тонких 
покриттів  
Об'єкт дослідження. Процес отримання тонких покриттів у вакуумі      
Предмет дослідження. Методи та засоби визначення товщини тонких покриттів в процесі 
отримання             
Методи досліджень. Для вирішення поставлених завдань в роботі проводилися розрахункові та 
експериментальні дослідження, що базуються на теорії електричного поля, а також застосовують 
електродинамічне моделювання. У дослідженнях застосовувалися закони електродинаміки та 
статистичних методів аналізу експериментальних даних.  
4. Структура й обсяг роботи. Кваліфікаційна робота магістра складається зі вступу, трьох 
розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків.  
 
5. Презентації на 15 слайдах. 
 
6. Консультанти розділів кваліфікаційної роботи магістра  
Підпис, дата 
Прізвище, ініціали та посада  
Розділ завдання завдання 
консультанта 
видав прийняв 
  
Теоретичний 
Бондаренко М.О., д-р техн. наук, проф.,    
Методичний 
зав. кафедри ПМКТ 
Експерименталь-   
но-дослідницький 
Тичков В.В., к-т техн. наук, доц.,    
Нормоконтроль 
доц. кафедри ПМКТ 
 
7. Дата видачі завдання “14” вересня 2022 року 
 
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН 
№ Строк  виконання етапів 
Назва етапів кваліфікаційної роботи магістра Примітка 
з/п роботи 
1 Оглядовий розділ 14.09.22 – 16.10.22 вик 
2 Теоретичний розділ 17.10.22 – 05.11.22 вик 
3 Методичний розділ 06.11.22 – 18.11.22 вик 
4 Експериментальний розділ 19.11.22 – 30.11.22 вик 
5 Оформлення пояснювальної записки 01.12.22 – 09.12.22 вик 
6 Оформлення презентації 01.12.22 – 09.12.22 вик 
7 Оформлення супровідної документації 10.12.22 – 15.12.22 вик 
8 Робота над доповіддю  16.12.22 – 19.12.22 вик 
    
 
                                                Магістрант                Вадим ЛЕСІЧ    
 ( підпис ) (прізвище та ініціали) 
 
Керівник роботи                Максим БОНДАРЕНКО   
 ( підпис ) (прізвище та ініціали) 
ЗМІСТ 
 
 Список скорочень ………………………………………………….. 4 
 Вступ …………………………………………………….…….……. 5 
Розділ 1. АНАЛІЗ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ВИЗНАЧЕННЯ   
ТОВЩИНИ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ПОКРИТТІВ ...…..……… 7 
1.1. Основні типи плівкоутворюючих матеріалів та оптичних  
покриттів …..……………………………………………………..7  
1.2. Особливості нанесення тонких покриттів у вакуумі ……….. 14 
1.3. Класифікація методів та засобів визначення товщини   
тонких покриттів у вакуумі ……………………………………. 23 
 Висновки до розділу 1 ………………………………………… 25 
Розділ 2. РОЗРОБЛЕННЯ МОДЕЛІ НАНЕСЕННЯ ТОНКИХ  
ПОКРИТТІВ У ВАКУУМІ ……………………..…..……………. 26 
2.1. Аналітичний розрахунок багатошарового тонкого покриття …. 26 
2.2. Аналіз результатів розрахунків ………..…………………………. 36 
2.3. Розроблення числової моделі процесу формування тонких  
покриттів у вакуумі ………………………………….…………… 37 
 Висновки до розділу 2 ………………………………….……….… 43 
Розділ 3. РОЗРОБЛЕННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНО-  
ВИМІРЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ ВИЗНАЧЕННЯ ТОВЩИНИ  
ТОНКОГО ПОКРИТТЯ У ВАКУУМІ ………………………….... 44 
3.1. Розроблення інформаційно-вимірювальної системи визначення  
 товщини тонкого покриття ………………….................................. 44 
3.2. Експериментальне дослідження працездатності інформаційно-  
 вимірювальної системи визначення товщини тонкого покриття  
 у вакуумі ………….………………………………………………... 47 
3.3. Підтвердження точності визначення товщини покриття,  
 отриманого у вакуумі інтерференційним методом ….………… 51 
 Висновки до розділу 3 ………………………………….……….… 52 
 2 
 Загальні висновки ……………………………………………………... 53 
 Список використаних джерел …………………………………………5 5 
 Додатки ………………………………………………………………… 58 
 3 
СПИСОК СКОРОЧЕНЬ 
 
АСМ – атомно-силова мікроскопія 
ВК – вакуумна камера 
ВКН – вакуумне конденсаційне напилювання 
A – поглинання світла шаром 
R – коефіцієнт відбиття світла  
S – розсіювання світла шаром  
T – коефіцієнт пропускання світла шаром 
 4 
ВСТУП 
 
Актуальність теми дослідження. Широке використання оптичних приладів 
і методів дослідження в різних галузях науки і техніки викликає необхідність 
створення на оптичних елементах таких приладів багатошарових діелектричних 
та метало-діелектричних покриттів з унікальними вимогами до їхніх 
властивостей. Серед таких властивостей слід згадати, наприклад, спектральний 
діапазон роботи приладів, який безперервно розширюється; посилення вимог до 
променевої стійкості та міцності покриттів, поєднання можливості відображення 
(пропускання) і формування хвильового фронту відбитого випромінювання, тощо. 
Тому, слід формувати на одному виробі послідовні шари окремих типів 
покриттів: просвітлюючі (антивідображаючі), дзеркальні, світло- і 
спектроділильні, фільтруючі, поляризаційні, тощо [1].  
Технологічним завданням особливої складності при цьому є осадження 
покриттів контрольованої товщини на нестійкому склі, кристалах і полімерах. 
Плівки, нанесені на заломлюючі і відображаючі межі оптичних елементів 
дозволяють формувати необхідні, різноманітні, часто унікальні спектральні криві, 
які можуть бути реалізовані завдяки унікальній властивості тонкоплівкових 
систем і суттєво залежать від їхніх товщин [2].  
Проте, високоточне вимірювання товщини тонких покриттів в процесі їх 
отримання на сьогодні є процесом складним і таким, що досі є актуальним.  
Мета й завдання дослідження. Підвищення точності та оперативності 
визначення товщини тонких покриттів в процесі їх осадження у вакуумі шляхом 
розроблення та дослідження інформаційно-вимірювальної системи, в якості 
вимірювального елементу якої використовується кварцовий резонатор та 
подальшого її впровадження в конструкцію промислової вакуумної електронно-
променевої установки, що дозволяє покращити технологічний процес отримання 
тонких покриттів. 
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі: 
1. Проаналізувати стан питання щодо сучасного стану методів та засобів 
визначення товщини покриттів в процесі їх отримання. 
 5 
2. Розробити математичну динамічну модель розподілу частинок наносимого 
матеріалу в робочій зоні в процесі напилення. 
3. Розробити макет інформаційно-вимірювальної системи високоточного 
визначення товщини тонких покриттів в процесі їх отримання у вакуумі. 
Об'єкт дослідження – процес отримання тонких покриттів у вакуумі. 
Предмет дослідження – методи та засоби визначення товщини тонких 
покриттів в процесі отримання. 
Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань в роботі 
проводилися розрахункові та експериментальні дослідження, що базуються на 
теорії електричного поля, а також застосовують електродинамічне моделювання. 
У дослідженнях застосовувалися закони електродинаміки та статистичних 
методів аналізу експериментальних даних. 
Наукова новизна одержаних результатів.  
1. Встановлені нові залежності впливу параметрів режиму отримання 
покриття у вакуумі на щільність розподілення частинок матеріалу, що 
осаджується по поверхні, що дозволило підвищити якість технологічного 
процесу. 
2. Запропоновано новий метод високоточного визначення товщини тонких 
покриттів в процесі їх отримання у вакуумі, який, на відміну від відомих, 
дозволяє визначати товщину наносимого покриття безпосередньо в процесі його 
отримання, що дозволяє, в цілому, підвищити гнучкість керування технологічним 
обладнанням і лягло в основу створення інформаційно-вимірювальної системи 
товщини покриттів у промислових вакуумних установках.  
Практичне значення одержаних результатів. Розроблена інформаційно-
вимірювальна система визначення товщини тонких покриттів може бути 
застосована для високоточного та оперативного контролю товщини різноманітних 
покриттів в процесі їх отримання у вакуумі для галузей точного 
приладобудування, мікроелектроніки, мікросхемотехніки тощо. 
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень представлені на 
XXIІ-гій міжнародній науково-практичній конференції «Інженерія поверхні та 
реновація виробів» (Київ: АТМ України, 15-16 червня 2022 року).  
Публікації. По темі кваліфікаційної роботи опублікована 1 теза доповідей. 
 6 
РОЗДІЛ 1 
АНАЛІЗ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ВИЗНАЧЕННЯ  
ТОВЩИНИ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ПОКРИТТІВ  
 
1.1 Основні типи плівкоутворюючих матеріалів та оптичних покриттів 
 
Оптичні інтерференційні системи різноманітного функціонального 
призначення створюються на базі конкретних плівкоутворюючих матеріалів 
шляхом варіювання показників заломлення шарів, їх оптичної товщини та 
кількості. Промислова реалізація подібних систем потребує наявність 
різноманітних високоякісних матеріалів, які забезпечують як сам технологічний 
процес нанесення покриттів, так і всі необхідні властивості покритої деталі [3]. 
Основні вимоги до шарів, а тож і до плівкоутворюючих матеріалів такі: 
- втрати світла у шарах повинні бути мінімальними, тобто мінімальною повинна 
бути сума A+S, де A – поглинання світла, а S – розсіювання світла шаром. 
Поглинання світла кількісно характеризується коефіцієнтом поглинання k, що 
знаходиться з виразу комплексного показника заломлення N=n-ik. Крім того 
іноді використовується постійна поглинання α=4πk∙λ-1. Зазвичай сумарні втрати 
світла (L) знаходять із виразу L=1-(R+T), де R – коефіцієнт відбиття світла, а  
T – коефіцієнт пропускання світла шаром. Допустимою величиною поглинання 
вважається k=10-4; 
- показник заломлення шару повинен мати потрібну величину у заданому 
спектральному діапазоні. Зазвичай показник заломлення шару нижче, ніж 
показник заломлення вихідного матеріалу і, як правило, неоднорідний по його 
товщині. Виключення становлять деякі суміші, що випаровуються спільно; 
- густина шарів повинна бути максимальною (для мінімізації процесів старіння 
оптичних покриттів за рахунок абсорбції парів води, а також для отримання 
максимального значення показників заломлення); 
- отримані шари повинні мати гарну адгезію до підкладки, бути міцними 
(витримати протирання і очищення розчинниками), мати максимальне 
 7 
напруження і повинні бути хімічно стабільними по відношенню до хімічних 
агентів навколишнього середовища. Необхідно також брати до уваги 
можливість хімічних реакцій між шаром і підкладкою і між сусідніми плівками 
з різноманітних матеріалів в багатошарових системах; 
- пошкодження шарів від дії лазерного випромінювання, радіації чи частинок 
високих енергій повинні біти мінімальними; 
- вплив змін температури на властивості шарів також повинен бути мінімальним. 
До додаткових критеріїв вибору матеріалів слід віднести: 
- хімічну чистоту речовин, що використовуються, особливо у випадку 
використання індивідуальних з’єднань; 
- мінімальне газовиділення таблеток (гранул) речовини, що поміщується до 
випаровника; 
- гарну здатність до пресування порошків вихідних речовин при формуванні з 
них таблеток. [4] 
В дослідженнях, проведених для написання даної магістерської роботи в 
якості експериментального прикладу використовувалися діелектричні 
плівкоутворюючі матеріали, а саме оксиди і фториди. 
Плівки з оксидів володіють високою стійкістю до механічних, 
температурних і кліматичних впливів. Показники заломлення плівок окислів 
знаходяться в інтервалі від 1,45 (для плівок двооксиду кремнію) до 2,6 (для плівок 
двооксиду титана), тобто вони можуть використовуватися як у якості шарів з 
високим показником заломлення, так і в якості шарів з низьким показником 
заломлення. Процеси виготовлення плівок з оксидів, як правило, більш складні, 
ніж у випадку сульфідів, селенідів. Це обумовлено, в першу чергу, тугоплавкістю 
цих матеріалів. Температури плавлення і випаровування деяких оксидів досягає 
2500-3000ºС (двоокис цирконію, двоокис гафнію, двоокис торію тощо). При 
випаровуванні, окисли, як правило, дисоціюють і часто вступають у реакцію з 
матеріалами випарників и тиглів. Тому, зараз основні способи отриманні плівок 
окислів – це електронно-променеве випаровування у вакуумі охолоджуваних 
тиглів і різноманітні види іонно-променевого випаровування. 
 8 
Окис алюмінію (ІІІ). Досить широко використовуються у якості 
плівкоутворюючого матеріалу окис алюмінію (Al2O3). Температура плавлення 
Al2O3 складає 2050ºС, тому плівки отримують зазвичай електронно-променевим 
випаровуванням чи іонно-плазмовим розпиленням.  
        Виявлено, що надзвичайно стабільні плівки можна отримати ВЧ катодним 
розпиленням. Наступний відпал на повітрі при 800ºС на протязі 1 години знижав 
рівень втрат випромінювання на розсіяння у них з 25 до 1 дБ/см-1.  
        Отримані різноманітними методами плівки окислу алюмінію, як правило, 
тверді, хімічно і кліматично стійкі. Їх механічна стійкість відповідає нульовій або, 
в гіршому випадку, першій групі стійкості. Основним недоліком цього матеріалу, 
що обмежує його використання в інфрачервоному діапазоні спектру, є значний 
рівень поглинання випромінювання на довжинах хвиль далі 7-8 мкм. 
Двоокис гафнію (HfO2). В останні роки широкого розповсюдження у якості 
плівкоутворюючих матеріалів набув двоокис гафнію (HfO2). Двоокис гафнію 
прозорий у спектральному діапазоні 0,25-7,0. Температура плавлення двоокису 
гафнію складає 2777ºС, показник заломлення при Т=20ºС рівний 1,87, а при 
Т=300ºС зростає до 1,94 [5]. 
Фторид магнію (MgF2). Ця речовина чудово розпилюється з танталових та 
вольфрамових човників, а також за допомогою електронного променю. Плівки 
MgF2 використовуються в діапазоні довжин хвиль від 115 нм до 4 мкм – до 4 мкм 
у плівках відсутнє поглинання. В більш тонких плівках верхня гранична довжина 
хвилі складає 10 мкм. Показник заломлення плівок з фториду магнію не залежить 
від температури підкладки і становить 1,38. Механічні і хімічні властивості плівок 
MgF2 в основному залежать від щільності. Плівки з високою щільністю, отримані 
при температурі підложки 300ºС або шляхом відпалу після осадження, дуже 
стабільні, тверді і володіють гарною адгезією. Вони задовольняють всім 
необхідним вимогам, що висуваються до просвітлюючи покриттів, і тому 
використовуються у якості багатошарових покриттів або у якості плівки з 
низьким показником заломлення в багатошарових просвітлюючих покриттях [6]. 
 9 
Основне, майже класичне, завдання просвітлюючих покриттів - збільшення 
спектрального діапазону і зменшення залишкового відбиття. В основі дії 
просвітлюючих покриттів лежить явище інтерференції світлових хвиль. 
Конструкція покриття, тобто товщина і показники заломлення його шарів, 
підбираються таким чином, щоб світлові хвилі, що відбиваються від обох його 
поверхонь, мали різницю ходу в половину довжини хвилі; крім того, ці хвилі 
повинні бути однаковими по амплітуді і довжині. У такому разі відбиті хвилі 
інтерферують і компенсують одне одного. Правильно підібране просвітлююче 
покриття різко зменшує відбиття світла від обох поверхонь лінзи і збільшує її 
світлопропускання. 
Рішення цього завдання при створенні покриттів, що працюють в широкому 
спектральному діапазоні, що включає ультрафіолетову і видиму ближню 
інфрачервону частину спектру ускладнюється тим, що воно істотно залежить від 
показника заломлення матеріалу, що просвітлюється. Показник заломлення  
матеріалів, що просвітлюються, лежить в інтервалі від 1.35 до 2.20. Крім того, 
набір стабільних, хімічно стійких до впливу зовнішньої атмосфери 
плівкоутворювальних матеріалів невеликий. Найбільші складнощі виникають при 
створенні антивідбиваючих покриттів на матеріалах з малим показником 
заломлення. Однак при використанні сучасних методів синтезу вдається 
створювати конструкції, що забезпечують задані вимоги. Такі конструкції містять 
шари, товщина яких не перевищує декількох нанометрів, що викликає значні 
технологічні складнощі при їх реалізації, пов'язані як з контролем товщини шарів 
у процесі їх виготовлення, так і зі стабільністю параметрів плівок у часі. Це 
вимагає створення нових методів контролю товщини шарів у процесі осадження 
та дослідження зміни властивостей цих шарів в процесі експлуатації. Не менший 
інтерес останнім часом з’явився до покриттів, що працюють в області вакуумного 
ультрафіолету [7]. 
  Особливий інтерес в останні роки проявляється до просвітлюючих 
покриттів зі змінним по товщині показником заломлення. Хоча властивості таких 
покриттів відомі дуже давно, їх експериментальної реалізації до теперішнього 
 10 
часу майже немає. Останнім часом, в зв'язку з експериментальними 
дослідженнями, присвяченими одночасному випаровуванню двох і більше 
плівкоутворювальних матеріалів у вакуумі, з'являється надія на створення таких 
покриттів. 
Світло- і спектроділильні покриття. Світлоділильні покриття - це покрит-
тя, які ділять падаючий світловий потік на відбитий і минулий, величиною яких 
може бути будь-що. Зазвичай задається відношення заданого і минулого потоків.  
Спектроділильні покриття - це покриття, які ділять падаючий світловий 
потік на відбитий і минулий, але з різним спектральним складом. При цьому, 
наприклад, випромінювання, що лежить в короткохвильовому, щодо деякої 
довжини хвилі, відбивається (енергетичний коефіцієнт відображення R), а 
довгохвильове випромінювання пропускається (енергетичний коефіцієнт 
пропускання T). Для спектроділильних покриттів, особливо застосовуваних в 
оптоелектроніці та оптичному зв'язку, основна проблема полягає в зменшенні 
спектрального діапазону зони, в якій коефіцієнт відбиття або пропускання 
змінюється швидко (крутизна спектральної характеристики, що визначається як 
dT / dλ або dR / dλ повинна мати максимальне значення в цьому діапазоні). Зони 
прозорості, придушення і контрастність, яка визначається як відношення 
максимального Tmax і мінімального пропускання Tmin, повинні мати фіксоване 
значення, яке визначається технічним завданням. Основна складність, яка виникає 
при конструюванні таких покриттів, полягає в забезпеченні максимального 
значення похідних dT / dλ (dR / dλ). Класичний шлях її подолання - використання 
систем, які складаються з великої кількості чвертьхвильових шарів з малою 
різницею в показниках заломлення плівкотвірних матеріалів. Однак при цьому 
зона максимального відображення зменшується пропорційно різниці в показниках 
заломлення. Аналогічний результат може бути досягнутий при використанні 
матеріалів з великою різницею показників заломлення плівкотвірних матеріалів 
при меншій кількості шарів, що не завжди можливо в ультрафіолетовій і видимій 
областях спектра через відсутність таких. При вирішенні цього завдання 
необхідно шукати компромісний варіант, що дозволяє при розумній кількості 
 11 
шарів досягти заданої величини крутизни. Цей компроміс визначається 
властивостями плівкотвірних матеріалів (власні напруги і коефіцієнт термічного 
розширення плівок) і матеріалу підложки. 
Дзеркальні покриття. Створення систем з максимальним коефіцієнтом 
відображення як на кратних довжинах, так і некратних цілому числу довжин 
хвиль і розширення спектрального діапазону, захоплюючого спектральний 
діапазон від ультрафіолетової до ближньої ІЧ-області спектра, створення 
вузькосмугових дзеркал- дзеркал з мінімальною шириною області максимального 
відображення є актуальними завданнями, багато в чому суперечать один одному. 
Розробка конструкції таких дзеркал в принципі може бути вирішена за допомогою 
сучасних методів синтезу багатошарових діелектричних систем. Збільшення 
коефіцієнта відображення до величини, максимально наближеною до ста 
відсотків, значно збільшує загальну товщину діелектричної системи. Це 
збільшення загальної товщини призводить до того, що система починає 
руйнуватися під дією механічної напруги, що виникають в шарах. Можливим 
виходом з цієї ситуації є підбір пар шарів що взаємно компенсують як власні, так і 
термічні напруги. При створенні широкосмугових систем перспективним є 
використання металодіелектричних систем. Подібний підхід до конструювання 
широкосмугових відбивачів може бути використаний для створення лазерних 
систем, якщо напруженість електричного поля світлової хвилі випромінювання, 
що доходить до металевого шару зменшується на один-два порядки. Особливий 
інтерес представляють системи, до складу яких входять шари з заданим 
розподілом показника заломлення по товщині. Такі системи не тільки 
виключають межу розділу між шарами, виготовленими з різних матеріалів, що 
значно збільшує механічну міцність і променеву стійкість покриття, але і 
дозволяють реалізувати вузькосмугові системи, що працюють як на кратних, так і 
не кратних довжинах хвиль. 
Поляризаційні покриття. У роботі сучасних оптико-електронних приладів 
часто використовується поляризоване випромінювання. Орієнтація площини 
поляризації або співвідношення між поляризаціями, орієнтованими в різних 
 12 
площинах (в площині падіння або перпендикулярно їй, залежить від призначення 
приладу. Багатошарові діелектричні системи, в залежності від конструкції і від 
кута падіння випромінювання, дозволяють управляти властивостями відбитого 
або минулого потоків випромінювання. Властивості покриттів (поляризуючих 
покриттів) залежать істотно від кута падіння випромінювання і розбіжності 
падаючого потоку. Якщо для лазерних джерел витрата випромінювань мала, то 
для ряду інших джерел витрати можуть досягати величини декількох десятків 
градусів. Ці джерела характеризуються не тільки великими витратами, але і 
досить широким спектральним діапазоном випромінювання. Це істотно посилює 
вимоги до конструкції багатошарових систем, що відбивають або пропускають 
світловий потік з довільним, наперед заданим станом поляризації, розбіжністю і 
спектральним діапазоном випромінювання. Можливість отримання покриттів, що 
володіють відтвореними спектральними характеристиками, при падінні 
випромінювання з заданим станом поляризації і витратами визначається точністю 
контролю і стабільністю режимів осадження. Основна складність, яка виникає при 
виготовленні перерахованих вище покриттів, полягає в непостійності показників 
заломлення плівкоутворених матеріалів шарів, що входять до складу 
діелектричних і металодіелектричних систем, а також в недостатній точності 
контролю товщини шарів в процесі осадження. 
Топологічні покриття. Особливий тип покриттів складають покриття зі 
змінним по поверхні елемента коефіцієнтом відображення або пропускання. 
Однією з областей їх використання є лазерна техніка, в якій вони можуть 
застосовуватися як елементи резонаторів лазерів, які формують випромінювання з 
вузькою діаграмою спрямованості. Іншою можливою областю їх застосування є 
створення покриттів, що змінюють форму поверхні відображаючого або 
заломлюючого оптичного елемента. Це можуть бути так звані асферизуючі 
покриття, характерною особливістю яких є сталість коефіцієнта відбиття при 
змінній по поверхні оптичного елемента товщиною одного або декількох шарів. 
Конструкція таких систем (показники заломлення, оптичні товщини шарів, 
розподіл товщини по поверхні оптичного елемента) визначається вимогами до 
 13 
форми хвильового фронту відбитого або минулого випромінювання і величиною 
сталості або максимальної (мінімальної) зміни коефіцієнтів відбиття по поверхні 
підложки. Основна складність при виготовленні таких покриттів полягає в 
відтворенні розрахункового розподілу товщини шарів по поверхні елемента і їх 
контролі в процесі осадження, що вимагає проведення відповідних досліджень. 
Особливий інтерес тут представляє дослідження оптичних параметрів плівок з 
великим градієнтом товщини, яка змінюється від нуля до чверті довжини хвилі, в 
часі. 
 
1.2 Особливості нанесення тонких покриттів у вакуумі 
 
Відомо, що покриття при вакуумному конденсаційному напилюванні 
формуються з потоку частинок, що знаходяться в атомарному, молекулярному 
або іонізованому стані. Потік частинок отримують розпиленням матеріалу за 
допомогою впливу на нього різними енергетичними джерелами. У загальному 
випадку рушійною силою перенесення частинок у напрямку до поверхні 
напилювання є різниця в парціальних тисках парової фази. Інші сили переносу 
можуть бути введені для частинок, що знаходяться в потоці в іонізованому стані. 
У цьому відношенні напилювання покриттів з іонізованих парових потоків 
переважає. Крім того, іонізовані частинки мають більшу енергію. Це полегшує 
формування покриттів високої якості. У методах і технологічних особливостях 
вакуумного конденсаційного напилювання (ВКН) покриттів є багато загального. 
У зв'язку з цим є доцільним розглянути узагальнену схему процесу (рис.1.1) [8]. 
Методи і способи вакуумного конденсаційного напилювання класифікують 
за такими ознаками [9]: 
- класифікація за способами розпилення матеріалу і формування потоку 
розпилюваних частинок: термічне випаровуванням матеріалу з твердого або 
розплавленого стану, вибухоподібне (інтенсифіковане) випаровуванням – 
розпилення; іонне розпилення твердого матеріалу; 
 14 
- класифікація за енергетичним станом розпилюваних частинок: напилювання 
нейтральними частинками (атомами, молекулами) з різним їхнім енергетичним 
станом; напилювання іонізованими частинками; напилювання іонізованими 
прискореними частинками; 
- класифікація за способом взаємодії розпилюваних частинок із залишковими 
газами камери: напилювання в інертному розрідженому середовищі або 
високому вакуумі (133.10-3 Па); напилювання в активному розрідженому 
середовищі (133… 133.10-1 Па). 
 
Рисунок 1.1 – Узагальнена схема процесу вакуумного конденсаційного 
напилювання покриттів: 1 – базова плита; 2 – вакуумна камера; 3 – матеріал, що 
розпилюється;  4 – розпилювач матеріалу; 5 – потік розпилених частинок;  
6 – заслінка; 7– напилений виріб; 8 – покриття; 9 – наповнювач робочого газу. 
 
Вибір методу напилювання і його різновидів (способів) визначається 
вимогами, що ставляться до покриттів з урахуванням економічної ефективності, 
продуктивності, простоти керування, автоматизації тощо.  
Фізичні методи осадження різних матеріалів добре відомі і досить докладно 
обговорюються в науковій літературі. Можна сказати, що всі ці технології 
можливі для отримання оксидних плівок. Нижче наведено короткий огляд цих 
методів отримання плівок у вакуумі. 
Термовакуумне напилення. Метод отримання тонких плівок заснований на 
нагріванні у вакуумі речовини до його активного випаровування і конденсації 
випаровування атомів на поверхні підложки. До переваг методу осадження 
 15 
тонких плівок термічним випаровуванням відносяться висока чистота 
осаджуваного матеріалу (процес проводиться при високому і надвисокому 
вакуумі), універсальність (наносять плівки металів, сплавів, напівпровідників, 
діелектриків) і відносна простота реалізації. Обмеженнями методу є 
нерегульована швидкість осадження, низька, непостійна і нерегульована енергія 
зароджених частинок. 
Резистивне нагрівання при напилюванні покриттів. Нагрівання речовини, 
що розпилюється, здійснюють джоулевим теплом. Передача теплоти від 
резистора до речовини, що розпилюється, відбувається або безпосередньо 
(рис.1.2, а – є) або через стінку тигля (рис.1.2, г). Часто резистори використовують 
у формі човника з різним робочим об'ємом. 
 
Рисунок 1.2 – Способи резистивного нагрівання речовини, що 
розпилюється: а – дротовий; б – стрічковий; в – човновий; г – тигельний 
 
До матеріалів, які використовують для виготовлення резистивних 
випарників, висувається ряд вимог: тиск пари матеріалу випарника при 
температурі процесу повинен бути таким малим, що ним можна знехтувати; 
матеріал випарника повинен добре змочуватися речовиною, що розпилюється, для 
забезпечення між ними гарного теплового контакту; речовина, що розпилюється, 
не повинна утворювати з матеріалом резистора або тигля різного роду сполук, що 
призведе до забруднення покриття й руйнування випарника. 
Основний недолік випарників з резистивним нагріванням полягає в 
обмеженні максимальної температури випаровування до 1500 °С. Крім того ці 
 16 
способи енергоємні, відрізняються низькою питомою потужністю і 
малопродуктивні. 
Електронно- променевий метод нанесення покриттів. У таких випарниках 
електронний пучок з електронної гармати направляється на випаровуваний 
матеріал, який зазвичай поміщається в водоохолоджуваний тигель. Це виключає 
проблему забруднення осаджуваного матеріалу елементами, що входять до складу 
матеріалу тигля. Обладнання для нанесення покриттів за допомогою електронно-
променевого нагріву схематично показане на рис.1.3. Перевага нагріву 
електронним пучком полягає в дуже високій щільності потужності, що 
підводиться до матеріалу, і можливості управління швидкістю випаровування при 
зміні цієї потужності. Обмеженням даного методу є однорідність товщини 
одержуваних плівок, рівна ± 5-10%. До недоліку цього методу можна віднести і 
низький енергетичний ККД, оскільки безпосередньо на процес випаровування 
витрачається від 1 до 5% енергії, що підводиться.  
 
Рисунок 1.3 – Принципова схема застосування електронно-променевого 
нагріву при вакуумному напиленні: 1 - прикатодний, формуючий електрод, 2 - 
термоелектродний катод, 3 - анод, 4-потік електронів, 5 - система магнітного 
фокусування, 6 - водоохолоджуваний тигель, 7 - потік пари, 8 - заслінка, 9 - 
підложкотримач, 10 - система вакуумування 
 
Лазерні методи. Використовується імпульсне лазерне випромінювання з 
щільністю енергії 10 3 -10 10 Вт/см і часом імпульсу 10-2 - 10-10 с. У ряді випадків 
 17 
застосовується і безперервне випромінювання СО2 лазерів з щільністю енергії  
105 - 107 Вт/см зі швидкостями сканування променя, що забезпечують час 
взаємодії матеріалу з випромінюванням 10-3 – 10-8 с. Під дією лазерного 
опромінення поверхневий шар матеріалу товщиною 0,1 - 100 мкм дуже швидко 
розплавляється і потім твердне зі швидкостями охолодження 104 - 108 К/с. При 
цьому основна маса металевого матеріалу внаслідок короткочасності термічного 
впливу не нагрівається і забезпечує високі швидкості тепловідведення. Високі 
швидкості охолодження дозволяють досягати отримання нанокристалічної або 
навіть аморфної структури. В останньому випадку нанокристалічний стан 
отримують за допомогою проведення додаткової контрольованої кристалізації 
при термообробці. Лазерне легування або лазерна імплантація пов'язана з 
додатковим введенням в оплавляє мий поверхневий шар легуючих речовин. Таке 
введення може проводитися як за рахунок попереднього нанесення тонкої плівки 
легуючої  речовини на поверхню оброблюваного матеріалу, так і за рахунок 
інжекції часток порошку (у тому числі наночастинок ) в струмені газу в зону 
впливу лазерного випромінювання. При цьому легування може переслідувати дві 
основні цілі: а -створення на поверхні модифікованого шару з хімічним складом, 
отже, властивостями, відмінними від основного металу; б - полегшення 
формування наноструктурного або аморфного стану при затвердінні оплавленого 
поверхневого шару. 
Іонно-променеве розпилення. Фактично являє собою значно вдосконалений 
варіант методів катодного і магнетроного розпилення. Головна відмінність методу 
в тому, що іони інертного газу подаються до розпорошуваного матеріалу (мішені) 
з окремо розташованого незалежного іонного джерела у вигляді концентрованого 
потоку з енергією 1-10 кеВ [10-12] (рис.1.4). Процес ведуть у вакуумі 10-4...10-3 
Па. Оскільки утворення іонного променя не пов'язано з розпиляням матеріалу, то 
можлива реалізація розпилення як металевих, так і діелектричних матеріалів (при 
використанні пристрою, компенсуючого накопичення позитивного потенціалу на 
поверхні мішені). Розпилений іонами матеріал мішені може також іонізуватися і 
додатково прискорюватися при прикладанні до підложки додаткового потенціалу 
 18 
зсуву. Концентрація плазми розряду всередині джерела іонів дозволяє уникнути 
сильного розігріву матеріалу підложки. Недоліком методу іонно-променевого 
розпилення є складність точного дотримання хімічного складу осаджуваного 
покриття. Це пов'язано з тим, що при зіткненні іонів з поверхнею мішені, в ній 
протікає цілий комплекс складних процесів (в т.ч. переважне розпилення, 
перемішування, радіаційно-стимульовані дифузія і сегрегація, адсорбція Гіббса), 
які можуть змінювати хімічний склад верхнього шару мішені і напилюваного 
матеріалу. Метод іонно- променевого розпилення знайшов застосування, для 
отримання багатошарових шаруватих структур для наноелектроніки з товщиною 
шарів 1-10 нм. 
 
Рисунок 1.4 – Схема іонно-променевого розпилення: 1 - вакуумна камера;  
2 - тримач підложки; 3 - підложка, 4 - потік іонів; 5 - матеріал , що розпилюється; 
6 - тримач мішені; 7 - іонно-променеве джерело; 8 - магнітна система концентрації 
плазми тліючого розряду; 9 - пристрій фокусування іонного променя; 10 - зона 
концентрації плазми тліючого розряду; 11 - потік часток, що осідають на 
підложку. 
 
Вакуумне конденсаційне напилювання покриттів вибуховим розпиленням [7, 
13-16]. Вибухове розпилення здійснюється локальним впливом на напилювану 
поверхню енергетичних імпульсів. У результаті цього в мікроділянках 
створюються умови для високошвидкісного випаровування твердої речовини. 
При густинах енергії 10…103 Вт/см на поверхні матеріалу реалізується 
розпилювально-випаровувальний процес з утворенням потоку розпилюваних 
частинок. У більшості випадків продукти розпилення ізотропно розлітаються в 
 19 
межах півсфери. Основна частина продуктів ерозії складається з парової фази. 
Практично завжди процес розпилення – випаровування супроводжується 
утворенням дрібних частинок конденсованої фази. Тверді або рідкі частинки 
мають розмір від часток до десятків мікронів і розлітаються зі швидкістю  
1–10 м/с. Такі частинки часто називають краплинною фазою потоку. Однією з 
причин появи краплинної фази є оклюзія газів, нерівномірність мікро- і 
макроструктури речовини, що розпилюється, й інші особливості. Перехід їх у 
покриття часто неприпустимий. Тому при напилюванні покриттів способами 
вибухового розпилення необхідні пристрої для відділення конденсованої фази від 
основного потоку напилених частинок. 
Рівень сучасної техніки дозволяє здійснювати вибухове розпилення з 
застосуванням різних імпульсних джерел теплоти, що переміщаються по поверхні 
речовини, яка розпилюється. Це може бути електронний або лазерний промінь, 
електричні розряди й інше. 
Магнетронне розпилення. У магнетронних розпилювальних системах 
розпилення матеріалу відбувається за рахунок бомбардування поверхні мішені 
іонами робочого газу, що утворюються в плазмі аномального тліючого розряду. 
Електрони, що імітуються з мішені під дією бомбардування, захоплюються 
магнітним полем і здійснюють складний циклоїдальний рух по замкнутих 
траєкторіях в схрещених електричному і магнітному полях (рис. 1.5).  
 
Рисунок 1.5 – Схема магнетронної  розпилювальної системи з плоским 
катодом: 1- катод-мішень, 2- магнітна система, 3- джерело живлення, 4- анод, 5- 
траєкторія руху електронів, 6- зона розпилення, 7- силова лінія магнітного поля. 
 20 
 
За рахунок локалізації плазми у поверхні катода досягається висока 
щільність іонного струму (на два порядки вище, ніж у звичайних діодних 
системах) і велика питома потужність, що розсіюється на мішені. Збільшення 
швидкості розпилення з одночасним зниженням робочого тиску дозволяє значно 
знизити забруднення плівок сторонніми включеннями. Локалізація електронів 
поблизу мішені запобігає бомбардуванню ними підкладок, що знижує 
температуру і радіаційні дефекти в створюваних структурах. Однак головними 
достоїнствами магнетронних розпилювальних систем є відносно високі швидкості 
осадження і можливість отримання рівномірних по товщині плівок на підкладках 
великої площі. Робочі параметри магнетронних розпилювальних систем наведені 
в таблиці 1.1 [14] . 
 
Таблиця 1.1 Параметри процесу нанесення покриттів магнетронним 
розпиленням 
Тиск, Па 10 -2 -1 
Напруга на мішені, В 300-700 
Питома потужність, Вт/см ~100 
Щільність іонного струму, мА/см 200 
Відстань до підложки, см 5-20 
Швидкість осадження, нм/хв До 3600 
Ступінь використання матеріалу мішені, % До 80 
Однорідність товщини нанесеної плівки, % < ±1.2 
Площа підложок, м2 До 3.2 × 6 
 
Магнетронні розпилювальні системи можна розділити на кілька типів, 
залежно від виду мішені (планарні, циліндричні, конічні), ступеня іонного впливу 
на підкладку (збалансовані і незбалансовані), магнітної системи (стаціонарні або 
переміщувані) і джерела живлення (постійний, імпульсний, перемінний або 
високочастотний струм). 
 21 
З усіх видів процесу розпилення магнетронне отримало найбільше 
поширення, про що говорить величезна кількість публікацій, що присвячують  
йому в усьому світі. Незважаючи на прогрес, який був досягнутий у розвитку 
магнетронних розпилювальних систем за час, що минув з часу їх винаходу, до цих 
пір існує ряд проблем, які необхідно вирішувати для підвищення ефективності 
цього обладнання і зниження вартості продуктів, одержуваних у результаті його 
використання. Основні проблеми магнетронного розпилення та можливі шляхи їх 
вирішення будуть розглянуті нижче. 
Високочастотне розпилення. Розглянуті вище методи отримання тонких 
плівок використовують постійні напруги, що прикладаються до електродів 
системи розпилення мішені. Це дозволяє розпорошувати мішені тільки з 
електропровідних або напівпровідникових матеріалів. Якщо мішень виконана з 
діелектрика, то при її бомбардуванні позитивно зарядженими іонами на ній дуже 
швидко буде накопичуватися позитивний заряд. Цей заряд створить електричне 
поле, яке буде гальмувати бомбардуючі мішень іони. Розпилення мішені дуже 
швидко припиниться. 
Для розпилення діелектричної мішені необхідно між анодом і катодом-
мішенню подавати змінну напругу. У цьому випадку мішень по черзі буде 
оброблятися потоками електронів і позитивно заряджених іонів. При негативному 
потенціалі на мішені буде відбуватися її розпорошення іонами, а при позитивному 
потенціалі - нейтралізація заряду потоком електронів. Це в принципі дозволяє 
розпорошувати мішені з діелектричних матеріалів, однак ефективність такого 
методу розпилення буде невисокою. 
Ефективність розпилення можна значно підвищити, якщо між анодом і 
катодом-мішенню подати змінну напругу частотою близько 10 МГц. Підвищення 
ефективності при високочастотному розпиленні пояснюється наступним чином. 
Маса електронів значно менше маси іонів. Тому, володіючи значно більшою 
рухливістю, електрони встигають слідувати за швидкозмінних полем, переходячи 
з одного електрода на інший. Іони, будучи набагато менш рухливими, не 
встигають помітно переміщатися в міжелектродному просторі, в результаті чого 
 22 
там утвориться об'ємний позитивний заряд іонів. Крім того, кількість електронів, 
що надходять на мішень за півперіода, значно перевищує ту кількість, яка 
необхідна для нейтралізації заряду іонів на мішені. В результаті на діелектричній 
мішені скупчується негативний заряд електронів. Все це призводить до появи в 
міжелектродному просторі додаткового електричного поля, яке здатне 
прискорити частина іонів до великих енергій, що й збільшує ефективність 
розпилення мішені. Завдяки зниженого тиску в газорозрядній камері, 
високочастотні системи з успіхом використовують для розпилення не тільки 
діелектричних мішеней, але і мішеней з металів і напівпровідників. 
Реактивне розпилення. При реактивному розпиленні в газорозрядну камеру 
поряд з робочим газом (зазвичай аргоном) додається невелика кількість 
реакційного активного газу (кисню, азоту та ін), в результаті чого на підложці 
утворюється плівка з хімічної сполуки, утвореного атомами мішені і активного 
газу. Якщо, наприклад, мішень виготовлена з алюмінію, а в якості активного газу 
використовується кисень, то на підложці отримується плівка з оксиду алюмінію, 
якщо ж в камеру додається азот, то вийде плівка з нітриду алюмінію. 
Крім оксидних і нітридних плівок, даним способом можна одержувати 
карбідні і сульфідні плівки, додаючи в камеру відповідно метан СН4 або пари 
сірки. Для отримання хімічної сполуки необхідний певний парціальний тиск 
активного газу, залежно від матеріалу мішені. Тому частіше виходять не хімічні 
сполуки, а тверді розчини. На основі однієї мішені з якого металу і різних 
активних газів можна отримувати широку гаму властивостей зароджених плівок - 
від провідних і низькоомних резистивних до високоомних резистивних і 
діелектричних. 
 
1.3 Класифікація методів та засобів визначення товщини тонких 
покриттів у вакуумі 
 
В даний час для контролю товщини оптичних покриттів в процесі їх 
осадження у вакуумі використовуються різні методи. Найбільш широко 
 23 
застосовуються два методи контролю – радіочастотний (зі зміни маси) і 
фотометричний (зі зміни коефіцієнта пропускання або відбиття). 
Радіочастотний метод контролю товщини шару. Радіочастотний метод 
заснований на вимірюванні зміни частоти коливань кварцового кристала при 
осадженні на ньому плівки напилюваної речовини [13]. Як відомо, зміна частоти 
коливань кварцового кристала пропорційна зміні його маси. Отже, якщо відома 
маса осаджуваної плівки, її щільність і площа на яку вона осідає, тоді її товщина 
легко визначається. Однак припущення, що щільність плівки постійна в міру її 
росту справедливо для металевих плівок, що мають товщину більше 20…30 нм, а 
при менших товщинах щільність плівки є функцією товщини. Вибір робочої 
частоти залежить від діапазону товщини вимірюваних плівок. Якщо потрібно 
вимірювати дуже тонкі плівки з високою чутливістю, то вибирають високу робочу 
частоту. Якщо ж потрібно проводити контроль осадження у великому діапазоні 
вимірюваних товщин, що вимагає широкої області лінійної залежності зміни 
частоти від товщини напиленої плівки, то вибирають відносно низьку робочу 
частоту. Чутливість методу в основному визначається стабільністю частоти 
вимірювального кварцового генератора і еталона частоти. Зазвичай чутливість 
кварцового резонатора Δm/Δf = 10 г/кГц. Використовувані прилади при робочій 
частоті 20 МГц дають можливість визначити зрушення частоти на 2 Гц, що 
дозволяє вимірювати приріст маси 10-10 г/см. Оскільки кристали кварцу чутливі до 
змін температури, а при покритті випарники виділяють значну кількість тепла, то 
необхідно застосування системи охолодження для датчиків. Діапазон 
вимірюваних товщин для серійних приладів лежить в діапазоні від 10 до 10000 нм 
з точністю 10%. Так само необхідно враховувати відмінності коефіцієнта 
конденсації плівкотвірної речовини на зразку і кристалі кварцу. 
Фотометричні методи контролю товщини шару. Фотометричний метод 
заснований на контролі зміни коефіцієнта пропускання або відбиття на 
контрольній довжині хвилі або на декількох довжинах хвиль. Точнісні 
можливості і діапазон контрольованих товщин плівок залежить не тільки від 
точності вимірювання коефіцієнтів пропускання і відбиття, але і від методології 
 24 
проведення контролю. На відміну від попереднього методу даний метод дозволяє 
контролювати і оптичні постійні шару. В обох вище викладених методах 
контролю товщини шару на існуючому рівні розвитку техніки легко реалізується 
автоматичне закінчення осадження шару, що дозволяє виключити помилку 
оператора. Це особливо важливо при виготовленні багатошарових покриттів і 
покриттів, що виготовляються з високою швидкістю осадження (одиниці секунд), 
наприклад напівпрозорих шарів металів. Однак фотометричні методи дозволяють 
не тільки контролювати товщину шару, а й відслідковувати зміну оптичних 
постійних шару в процесі його росту. На практиці при контролі оптичних 
постійних і товщини шару в процесі осадження плівки в вакуумі найбільш 
прийнятними є фотометричні вимірювання, проведені по нормалі до поверхні 
зразка. Найбільш універсальною системою контролю можна вважати схему, що 
дозволяє проводити автоматичний контроль осадження, з використанням двох 
джерел випромінювання і двох пар фотоприймачів, що реалізує одночасний 
контроль коефіцієнтів пропускання і відбиття на двох довжинах хвиль або 
коефіцієнтів пропускання, відбиття і зворотного відображення на одній довжині 
хвилі [16] . 
 
Висновки до розділу 1 
 
В результаті огляду вітчизняної і зарубіжної науково-технічної літератури, 
що дозволив визначити найрозповсюдженіші на сьогодні методи та засоби 
отримання тонких покриттів та визначення їхньої товщини в процесі отримання 
зроблено висновок про доцільність використання інформаційно-вимірювальної 
системи. Також важливим залишається питання розроблення математичної 
моделі, що дозволяє отримати максимально точний результат розподілу частинок 
наносимого матеріалу в робочій зоні. 
Таким чином, в роботі визначився напрямок дослідження спрямований на 
розроблення та дослідження інформаційно-вимірювальної системи, що дозволяє 
покращити технологічний процес отримання тонких покриттів. 
 25 
РОЗДІЛ 2.  
РОЗРОБЛЕННЯ МОДЕЛІ НАНЕСЕННЯ ТОНКИХ ПОКРИТТІВ У ВАКУУМІ 
 
2.1 Аналітичний розрахунок багатошарового тонкого покриття 
 
В якості дослідного зразка, що буде розглядатися в даній роботі 
використовувалося просвітлююче покриття на основі фторидів. За основу для 
нанесення просвітлюючого покриття була взята пластина зі скла К8 (оптичне 
кварцове скло, n4).  
Вимоги до розроблюваного покриття: 
- матеріал: скло К8 nс=1.441, див.табл.2.1. 
- стійкість до хімічних реагентів – III, стійкість до вологої атмосфери – А; 
одношарове покриття: 0/4, двошарове покриття: 0/4 – 0/4; 
тришарове покриття: 0/4 – 0/2 – 0/4 (0/4 – 0/4 – 0/4) 
 чотиришарове покриття – 0/4 – 0/4 – 0/4 – 0/4. 
0=600±20 нм, 1 – 2=400 – 800 нм 
Одношарове просвітлююче покриття (рис.2.1) 
R1
n =1
1
n2 
n3 =1,441 
Т  
Рисунок 2.1 – Схематичне зображення одношарового покриття 
 
Умова витрат напівхвилі: 
n1< n2< n3, n2  n1 n3 , n2h2 = 0/4, n2h2 = 600/4 = 150 нм 
З таблиці плівкоутворюючих матеріалів обираємо матеріал з максимальним 
показником заломлення заданого діапазону 1-2=400 - 800 нм. 
 26 
Таблиця 2.1 – Матеріали, що застосовувалися для отримання покриття 
Плівкоутворюючий Показник залом- Температура Область спектра, 
матеріал лення шару, n плавлення, Тпл,° С 1-2, мкм 
Фтористий кальцій СaF2 1,23 – 1,46 1360 0,15–12. 
 
Приймаємо, n2 = 1,23 
Розрахуємо мінімальне значення коефіцієнту відбиття за формулою: 
2 2
 n2  n 
2 3 1,232 1,441
  
min    min     0,0006  0,06%  
 n2  n 1,232
2 3   1,441
,  
Розрахуємо амплітудні та енергетичні коефіцієнти відбиття системи 
«повітря – плівка – підложка» за формулами: 
n
r  i  ni1 ri,i1  ri1, j cos2
i,i1
n  n ;  ri, j  , 
i i1 1 ri,i1  ri1, j cos2
де i – порядковий номер шару,  j – кількість шарів,   – кут зрушення фаз: 
2
  n2h2 , де  – довжина хвилі; 

n1  n2 n  n
R = |r |2; Т = 1 – R r1,2   0,103 r  2 3  0,079
i,j i,j i,j i,j  ; 2,3 ; 
n1  n2 n2  n3
r1,2  r2,3 cos 2
r1,3  .   R 2
1,3 = |r1,3|  Т1,3 = 1 – R
 1,3 
1 r1,2  r2,3 cos 2
Для побудови спектральної характеристики R1,3 = f() та R1,3 = f() складемо 
таблиці 2.2 і 2.3.: 
 
Таблиця 2.2 – Результати розрахунку одношарового покриття 
n2·h2 0 0/4 0/2 30/4 0 
 0 р/2 р 3р/2 2р 
cos2 1 -1 1 -1 1 
r1,3 -0,1807 -0,0243 -0,1807 -0,0243 -0,1807 
R1,3 0,0326 0,0006 0,0326 0,0006 0,0326 
T1,3 0,9674 0,9994 0,9674 0,9994 0,9674 
 27 
График зависимости R1,3 = f(β)для однослойного 
просветляющего покрытия 
R1,3
0,035
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
0 90 180 270 360
β  
Рисунок 2.2 – Графік залежності R1,3=f() для одношарового покриття 
(просвітлюючого) 
 
Таблиця 2.3 – Результати розрахунку одношарового просвітлюючого покриття 
, нм 400 450 500 550 600 650 700 750 800 
 0,7500 0,6667 0,6000 0,5455 0,5000 0,4615 0,4286 0,4000 0,3750 
cos2 0,0000 -0,5000 -0,8090 -0,9595 -1,0000 -0,9709 -0,9010 -0,8090 -0,7071 
r1,3 -0,1031 -0,0639 -0,0395 -0,0276 -0,0243 -0,0266 -0,0322 -0,0395 -0,0476 
R1,3 0,0106 0,0041 0,0016 0,0008 0,0006 0,0007 0,0010 0,0016 0,0023 
График зависимости R1,3 = f(λ)для однослойного просветляющего 
T1,3 0,9894 0,9959 0,9984 0,9992 0,9994 0,9993 0,9990 0,9984 0,9977 
покрытия 
R1,3
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
400 450 500 550 600 650 700 750 800 λ, нм
 
Рисунок 2.3 – Графік залежності R1,3=f() для одношарового 
просвітлюючого покриття 
 
Двошарове просвітлююче покриття 
Таблиця 2.4  - Матеріали для отримання покриття 
Плівкоутворюючий Показник Температура Область спектру, 
матеріал заломлення шару,n плавлення, Тпл,° С 1-2, мкм 
Фтористий іттрій YF3 1,54 – 1,56 1136 1>0.3 
 28 
n1 =1
n2  =1,23
n3 
n4  =1,441
 
Рисунок 2.4 – Схематичне зображення двошарового просвітлюючого 
покриття 
 
Для побудови спектральної характеристики R1,4= f() і R1,4 = f() складемо 
таблиці 2.5 і 2.6: 
 
Таблиця 2.5 – Результати розрахунку двошарового покриття 
n2·h2 0 0/4 0/2 30/4 0 
 0 р/2 р 3р/2 2р 
cos2 1 -1 1 -1 1 
r2,4 -0,0790 -0,1446 -0,0790 -0,1446 -0,0790 
r1,4 -0,18066 0,04207 -0,18066 0,04207 -0,18066 
R1,4 0,0326 0,0018 0,0326 0,0018 0,0326 
T1,4 0,9674 0,9982 0,9674 0,9982 0,9674 
 График зависимости R 1,4  = f(β)для двухслойного 
просветляющего покрытия 
 R1.4, % 
0,035
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
β
0 90 180 270 360
 
Рисунок 2.5 – Графік залежності R1,4=f() для двошарового просвітлюючого 
покриття 
   
 29 
Таблиця 2.6 – Результати розрахунку просвітлюючого покриття 
, нм 400 450 500 550 600 650 700 750 800 
 0,7500 0,6667 0,6000 0,5455 0,5000 0,4615 0,4286 0,4000 0,3750 
cos2 0,000 -0,5000 -0,8090 -0,9595 -1,0000 -0,9709 -0,9010 -0,8090 -0,7071 
r2,4 -0,1119 -0,1283 -0,1384 -0,1433 -0,1446 -0,1436 -0,1414 -0,1384 -0,1350 
r1,4 -0,1031 -0,0393 0,0089 0,0348 0,0421 0,0369 0,0245 0,0089 -0,0077 
R1,4 0,0106 0,0015 0,0001 0,0012 0,0018 0,0014 0,0006 0,0001 0,0001 
T1,4 0,9894 0,9985 0,9999 0,9988 0,9982 0,9986 0,9994 0,9999 0,9999 
 График зависимости R 1,4  = f(λ)для двухслойного просветляющего 
покрытия
R1.4, %
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
400 450 500 550 600 650 700 750 800 λ, нм
 
Рисунок 2.6 – Графік залежності R1,4=f() для двох шарового відбиваючого 
покриття 
 
Тришарове просвітлююче покриття.  
1 варіант: n2h2 = n3h3= n4h4=0/4 
R1,5
n =1
1
n2  =1,23
n3 =1,54
n4  
n5  =1,441
Т1,5  
Рисунок 2.7 – Схема тришарового просвітлюючого покриття 
 
 30 
1
Таблиця 2.7 - Матеріали для отримання тришарового покриття 
Плівкоутворюючий Показник залом- Температура Область спектра, 
матеріал лення шару, n плавлення, Тпл,° С 1-2, мкм 
Фтористий лантан LaF3 1.59 1750 0,22–2 
 
Для побудови спектральної характеристики R1,5= f() і R1,5 = f() складемо 
таблиці 2.8 і 2.9: 
 
Таблиця 2.8 – Результати розрахунку покриття 
n4·h4 0 0/4 02 30/4 0 
 0 р/2 р 3р/2 2р 
cos2 1 -1 1 -1 1 
r3,5 0,0332 -0,0651 0,0332 -0,0651 0,0332 
r2,5 -0,07900 -0,04717 -0,07900 -0,04717 -0,07900 
r1,5 -0,18066 -0,05624 -0,18066 -0,05624 -0,18066 
R1,5 0,0326 0,0032 0,0326 0,0032 0,0326 
T1,5 0,9674 0,9968 0,9674 0,9968 0,9674 
 График зависимости R 1,5  = f(β)для трехслойного 
просветляющего покрытия 
 R1.5, % 
0,035
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
β
0 90 180 270 360  
Рисунок 2.8 – Графік залежності R1,6=f() для тришарового просвітлюючого 
покриття 
 31 
График зависимости R 1,5  = f(λ)для трехслойного 
просветляющего покрытия
R1.5, %
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
400 450 500 550 600 650 700 750 800 λ, нм
 
Рисунок 2.9 - Графік залежності R1,5=f() для тришарового просвітлюючого 
покриття 
 
Таблиця 2.9 - Результати розрахунку тришарового просвітлюючого покриття 
, нм 400 450 500 550 600 650 700 750 800 
1 (nh=л0/4) 0,7500 0,6667 0,6000 0,5455 0,5000 0,4615 0,4286 0,4000 0,3750 
cos21 0,0000 -0,5000 -0,8090 -0,9595 -1,0000 -0,9709 -0,9010 -0,8090 -0,7071 
r3,5 -0,0160 -0,0405 -0,0557 -0,0631 -0,0651 -0,0637 -0,0602 -0,0557 -0,0507 
r2,5 -0,1119 -0,0919 -0,0672 -0,0517 -0,0472 -0,0505 -0,0580 -0,0672 -0,0764 
r1,5 -0,1031 -0,0575 -0,0491 -0,0538 -0,0562 -0,0544 -0,0512 -0,0491 -0,0494 
R1,5 0,0106 0,0033 0,0024 0,0029 0,0032 0,0030 0,0026 0,0024 0,0024 
T1,5 0,9894 0,9967 0,9976 0,9971 0,9968 0,9970 0,9974 0,9976 0,9976 
 
2 варіант: n2h2 = n4h4=0/4 
 
Таблиця 2.10 - Матеріали для отримання покриття 
Плівкоутворюючий Показник залом- Температура Область спектра, 
матеріал лення шару, n плавлення, Тпл,° С 1-2, мкм 
Фтористий лантан LaF3 1.59 1750 0,22–2 
 
Приймаємо n4 1.59  
 
Таблиця 2.11 - Результати розрахунку тришарового покриття 
n4·h4 0 0/4 0/2 30/4 0 
 0 р/2 р 3р/2 2р 
cos2 1 -1 1 -1 1 
r3,5 0,0332 -0,0651 0,0332 -0,0651 0,0332 
 32 
r2,5 -0,07900 -0,04717 -0,07900 -0,04717 -0,07900 
r1,5 -0,18066 -0,05624 -0,18066 -0,05624 -0,18066 
R1,5 0,0326 0,0032 0,0326 0,0032 0,0326 
T1,5 0,9674 0,9968 0,9674 0,9968 0,9674 
 График зависимости R 1,5  = f(β)для трехслойного 
просветляющего покрытия 
 R1.5, % 
0,035
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
β
0 90 180 270 360  
Рисунок 2.9 - Графік залежності R1,5=f() для тришарового просвітлюючого 
покриття 
 
Таблиця 2.12 - Результати розрахунку просвітлюючого покриття 
, нм 400 450 500 550 600 650 700 750 800 
1 (nh=л0/4) 0,7500 0,6667 0,6000 0,5455 0,5000 0,4615 0,4286 0,4000 0,3750 
2 (nh=л0/2) 1,5000 1,3333 1,2000 1,0909 1,0000 0,9231 0,8571 0,8000 0,7500 
cos21 0,0000 -0,5000 -0,8090 -0,9595 -1,0000 -0,9709 -0,9010 -0,8090 -0,7071 
cos22 -1,0000 -0,5000 0,3090 0,8413 1,0000 0,8855 0,6235 0,3090 0,0000 
r3,5 -0,0160 -0,0405 -0,0557 -0,0631 -0,0651 -0,0637 -0,0602 -0,0557 -0,0507 
r2,5 -0,0961 -0,0919 -0,1289 -0,1640 -0,1757 -0,1672 -0,1488 -0,1289 -0,1119 
r1,5 -0,1031 -0,0575 0,0011 0,0551 0,0739 0,0602 0,0314 0,0011 -0,0242 
R1,5 0,0106 0,0033 0,0000 0,0030 0,0055 0,0036 0,0010 0,0000 0,0006 
T1,5 0,9894 0,9967 1,0000 0,9970 0,9945 0,9964 0,9990 1,0000 0,9994 
График зависимости R 1,5  = f(λ)для трехслойного 
 просветляющего покрытия
R1.5, %
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
400 450 500 550 600 650 700 750 800 λ, нм
 
Рисунок 2.10 – Графік залежності R1,5=f() для тришарового 
просвітлюючого покриття 
 33 
Чотирьохшарове просвітлююче покриття 
R1,5
n1 =1
n 2 =1,23
n3 =1,54
n4 =1,59
n5 
n6  =1,441
Т1,6  
Рисунок 2.11 - Схематичне зображення чотирьохшарового просвітлюючого 
покриття 
 
З таблиці плівкоутворюючих матеріалів вибираємо матеріали з 
максимальним nв= n4 і мінімальним показником заломлення nн= n5 для заданого 
діапазону 1-2=400 - 800 нм 
 
Таблиця 2.13 – Матеріали для отримання покриття 
Плівкоутворюючий Показник залом- Температура Область спектра, 
матеріал лення шару, n плавлення, Тпл,° С 1-2, мкм 
Фтористий іттрій YF3 1,54 – 1,56 1136 1>0.3 
 
Для побудови спектральної характеристики R1,6= f() і R1,6 = f() складемо 
таблиці 2.14 і 2.15. 
 
Таблиця 2.14 – Результати розрахунку просвітлюючого покриття 
n4·h4 0 0/4 0/2 30/4 0 
 0 р/2 р 3р/2 2р 
cos2 1 -1 1 -1 1 
r4,6 0,0492 -0,0172 0,0492 -0,0172 0,0492 
r3,6 0,03321 0,00127 0,03321 0,00127 0,03321 
r2,6 -0,0790 -0,1132 -0,0790 -0,1132 -0,0790 
r1,6 -0,18066 0,01015 -0,18066 0,01015 -0,18066 
R1,6 0,0326 0,0001 0,0326 0,0001 0,0326 
T1,6 0,9674 0,9999 0,9674 0,9999 0,9674 
 34 
График зависимости R 1,6  = f(β)для четырехслойного 
просветляющего покрытия 
 R1.6, % 
0,035
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
β
0 90 180 270 360  
Рисунок 2.12 - Графік залежності R1,6=f() для чотирьохшарового 
просвітлюючого покриття 
 
Таблиця 2.15 - Результати розрахунку чотирьохшарового покриття 
, нм 400 450 500 550 600 650 700 750 800 
β 0,7500 0,6667 0,6000 0,5455 0,5000 0,4615 0,4286 0,4000 0,3750 
cos2β 0,0000 -0,5000 -0,8090 -0,9595 -1,0000 -0,9709 -0,9010 -0,8090 -0,7071 
r4,6 0,0160 -0,0006 -0,0109 -0,0159 -0,0172 -0,0163 -0,0140 -0,0109 -0,0075 
r3,6 -0,0160 -0,0157 -0,0072 -0,0007 0,0013 -0,0002 -0,0034 -0,0072 -0,0107 
r2,6 -0,1119 -0,1041 -0,1061 -0,1113 -0,1133 -0,1119 -0,1088 -0,1061 -0,1044 
r1,6 -0,1031 -0,0514 -0,0174 0,0037 0,0103 0,0056 -0,0051 -0,0174 -0,0296 
R1,6 0,0106 0,0026 0,0003 0,0000 0,0001 0,0000 0,0000 0,0003 0,0009 
T1,6 0,9894 0,9974 0,9997 1,0000 0,9999 1,0000 1,0000 0,9997 0,9991 
Rмод 0,0101 0,0025 0,0004 0,0000 0,000103 0,000024 0,000037 0,00034 0,9990 
График зависимости R 1,6 =  f(λ)для четырехслойного 
просветляющего покрытия
R1.6, %
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
400 450 500 550 600 650 700 750 800 λ, нм
 
Рисунок 2.13 - Графік залежності R1,6=f() для чотирьохшарового 
просвітлюючого покриття 
 
 35 
 
2.2 Аналіз результатів розрахунків 
 
Для вибору оптимальної конструкції та максимально точно розрахованої 
товщини просвітлюючого покриття побудуємо графіки спектральних залежностей 
R= f() для всіх типів покриттів в єдиній системі координат. 
 
Рисунок 2.14 - Графік залежності R=f() для всіх типів просвітлюючих 
покриттів  
 
Як видно із графіка (рис.2.14), оптимальною буде та конструкція, яка 
забезпечує максимальний коефіцієнт відображення на робочій довжині хвилі 
0=600 нм і більш широку зону відображення в заданій області спектра. 
Таким чинГорамф,и коип зтавиимсиамлосьтнеий мR 1 ,є6  =4 f(-λх)д лшя чаертоыврех сплройонсогвоі тпрлоюсвеютчляею пщоегкор иття. 
покрытия
R1.6, 
0,%012
Rтеор.
0,011
0,010 Rсмод
0,009
0,008
0,007
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
0,000 λ, нм
400 450 500 550 600 650 700 750 800
 
Рисунок 2.15 - Графіки спектральних залежностей R1,6=f() для 4-х 
шарового просвітлюючого покриття  
 36 
2.3 Розроблення числової моделі процесу формування тонких покриттів 
у вакуумі 
 
Для опису процесу формування тонких покриттів у вакуумі і подальшого 
визначення товщини нанесених матеріалів від режимів їх осадження, буде 
проведене числове моделювання з використанням чисельних методів.  
Для розв’язку поставленої математичної задачі було використано програмне 
спеціалізоване забезпечення COMSOL Multiphysics 5.6. Модулі даної програми 
містять інструменти для моделювання явищ та процесів в галузях механіки, 
акустики, електродинаміки, оптики, хімії, електрохімії, гідродинаміки і 
теплопередачі.  
За допомогою цієї програми було проведено моделювання в відповідності 
до поставленої вище задачі дифузії та масоперенесення.  
Алгоритм побудови фізичної моделі складається з наступних етапів.  
1) У вікні навігатора моделей обирається розділ в якому буде проводиться 
моделювання та розрахунок. Для розв’язку даної задачі для нестаціонарних 
моделей використовується розділ Heat transfer (рисунок 2.16). 
        
Рисунок 2.16 – Навігатор COMSOL та граничні умови моделей  
 
2) Робиться креслення моделі основи на яку проводиться нанесення 
покриття з відповідними розмірами оптичного елементу, що оброблюється.  
3) Відповідно до умов задачі встановлюються її граничні умови, рис. 2.16.  
 37 
4) Встановлюються фізичні властивості основи з оптичного скла К8 та 
тонкої плівки (фізичні властивості матеріалу покриття).  
5) Наступним етапом в автоматичному режимі відбувається розбиття на 
кінцеві елементи з урахуванням необхідної точності розрахунку об’єкта. Для 
даної моделі було використано розбиття на кінцеві елементи у формі трикутників 
(функція free tetrahtdral) з параметром Predefined fine, а також розбиття на кінцеві 
елементи у формі прямокутників (функція quadrilateral) з параметром Predefined 
extra fine. Таке розбиття використовується для майже всього об’єкту 
моделювання.  
Для межі 5 використовується розбиття з максимальним розміром кінцевих 
елементів 10-5 м (як показали експериментальні дослідження [17] на краях основи 
можуть утворюватися «напливи» металевого покриття, що важливо враховувати), 
для меж 4, 6 кінцевих елементів їх максимальний  розмір складає – 5·10-4 м 
(основна поверхня пластини-основи, де відбувається більш рівномірний розподіл 
матеріалу покриття). На рисунку 2.17 представлено результати розбиття об’єкту 
на сітку (складається 17415 та 22050 елементів). 
    
Рисунок 2.17 – Зображення моделі в режимі розбиття на кінцеві елементи 
 
6) Розв’язок математичної задачі. Перед початком розрахунку необхідно 
врахувати час і рівномірність осадження матеріалу по поверхні оптичного виробу 
(в залежності від геометричних розмірів заготовки). Час обирається в діапазоні від 
0 до 10 секунд, з інтервалом 0,1 с. Також необхідно вказати відносну точність 
вирішення задачі, яка для даної задачі становить 1% та абсолютну точність 0,01 
мкм. 
 38 
На рисунку 2.18 представлені результати математичного моделювання 
розподілу матеріалу по поверхні основи з часом у вигляді графіків.  
 
а – розподіл товщини осадженого матеріалу від робочої температури розігріву 
 
 39 
 
б – розподіл осадженого матеріалу в залежності від робочої температури розігріву 
по поверхні зразка 
 
 
в – інтенсивність потоку осаджуваних частинок на різних етапах нанесення 
покриття  
 40 
 
г – розподіл інтенсивності осадження матеріалу по товщині покриття за умов 
оптимального режиму осадження в момент часу t = 0,5 с 
 
д – розподіл інтенсивності осадження матеріалу по поверхні основи 
 
Рисунок 2.19 – Результати розрахунків проведених з використанням числової 
моделі розподілу інтенсивності осадження матеріалу в різних площинах 
оптичного елементу 
 41 
Як видно з рисунка 2.19.б інтенсивність розподілу осадженого матеріалу 
вздовж поверхні носить практично рівномірни  характер, тому для спрощення 
розрахунку можна використовувати двовимірну модель. 
Також було проаналізовано вплив теплового випромінювання з поверхні 
оптичного скла на відхилення температури, яке було введене в розрахункову 
модель, а, відповідно, на якість нанесеного покриття (його механічні, 
трибологічні та експлуатаційні властивості). Встановлено, що відхилення 
температури не перевищує 1,7%, а найбільше відхилення товщини плівки від 
нормативного значення виникає на краях основи. Тому врахування радіаційних 
витрат тепла дасть можливість підвищити точність моделювання процесу 
нанесення покриття по всій поверхні оптичного елементу. 
 
а – інтенсивність потоку осаджуваних частинок по товщині покриття 
 
б – інтенсивність потоку осаджуваних частинок по поверхні основи 
Рисунок 2.20 – Результати розрахунку розподілу інтенсивності потоку 
осаджуваних частинок в різних площинах оптичного елементу (двовимірна 
модель) 
 42 
Висновки до розділу 2 
 
Проведено аналітичний розрахунок багатошарового тонкого функціонального 
(на прикладі просвітлюючого) покриття, що дозволив встановити основні 
закономірності отримання такого покриття та визначити його товщину, необхідну 
для найбільш раціонального функціонування такого покриття. За результатами 
розрахунків встановлено, що оптимальною буде та конструкція елементу з 
просвітлюючим покриттям, яка забезпечує максимальний коефіцієнт відбиття на 
робочій довжині хвилі 0=600 нм і більш широку зону відбиття в заданій області 
спектра, що відповідає чотирьох шаровому покриттю. 
Побудована числова модель процесу нанесення тонких функціональних 
покриттів у вакуумі, яка виконана за допомогою пакету моделювання фізичних 
процесів Comsol Multiphysics і дозволяє з високою точністю (до 10 нм) визначати 
товщину нанесених покриттів в залежності від їх фізичних характеристик, режимів 
нанесення (робочої температури випаровуванного матеріалу, швидкості 
випаровування, відстані до осаджуваної поверхні та частоти обертання основи 
відносно випарника), враховувати втрати теплової енергії при випроміненні з 
поверхні (не перевищують 1,7%), реальну форму розподілу потоку частинок у 
вакуумі (найбільше відхилення товщини плівки від нормативного значення виникає 
на краях основи). 
Встановлені нові залежності впливу параметрів режиму отримання покриття у 
вакуумі (робочої температури випаровуванного матеріалу, швидкості 
випаровування, відстані до осаджуваної поверхні та частоти обертання основи 
відносно випарника) на щільність розподілення частинок матеріалу як по поверхні 
основи, так і по товщині осаджуваного матеріалу, чим підвищено якість 
технологічного процесу. При цьому, розбіжність розрахункових результатів з 
результатами моделювання та експериментальними даними не перевищує 10-15%. 
Розроблена модель дозволяє вводити додаткові обмеження для підвищення 
якості отримання покриттів, як то: максимально допустима швидкість осадження 
матеріалу, що дозволить запобігти поганій адгезії, а також його відшаруванню та 
руйнуванню  основи в процесі оброблення; максимальна частота обертання 
підкладинкотримача зі зразками відносно випарника, що дозволить уникати режимів 
за яких відбувається погіршення площинності та утворення хвилястої поверхні. 
 43 
РОЗДІЛ 3 
РОЗРОБЛЕННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНО-
ВИМІРЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ ВИЗНАЧЕННЯ ТОВЩИНИ ТОНКОГО 
ПОКРИТТЯ У ВАКУУМІ 
 
3.1 Розроблення інформаційно-вимірювальної системи визначення 
товщини тонкого покриття 
 
Для оперативного визначення та дотримання заданої товщини 
функціональних покриттів при їх осадженні у вакуумі, автором даної роботи було 
розроблено інформаційно-вимірювальну систему (рис. 3.1), в основі якої 
знаходився пристрій побудований за мостовою схемою з використанням кварцо-
вого резонансу, опис схеми та принцип роботи якого представлено в роботі [18]. 
За допомогою керуючого мікроконтролера здійснюється оброблення 
отриманих даних (обчислюється різниця частотних характеристик з кварцового 
резонатора в процесі нанесення на поверхню кварцових пластин осаджуваного 
матеріалу; аналого-цифрове перетворення отриманих результатів в потенціал 
певної частоти; перерахунок отриманих потенціалів на масу осадженого на 
кварцову пластину матеріалу і подальший розрахунок питомої осадженої маси 
(відносно площі пластини кварцового резонатора); диференціація характеристик з 
окремих ділянок резонатора), які використовуються для визначення та 
корегування товщини плівки шляхом регулювання робочих параметрів режиму 
нанесення покриттів у вакуумі, для чого останні формуються мікроконтролером у 
пакети даних і передаються на ПК через інтерфейс RS-232 та до системи 
керування вакуумної установки (а точніше – системи високоточного керування 
системою нанесення тонких покриттів у вакуумі) через інтерфейс CAN. 
Виміряний потенціал (що відповідає товщині осадженого матеріалу), який 
використовується для визначення товщини та півномірності розподілу покриття 
по поверхні основи, на яку здійснюється осадження, за допомогою автоматичного 
цифрового пристрою переводиться у цифровий вигляд. 
 44 
1 3 4 6 7 9 
2 
5 8 
 
а. 
 
б. 
Рисунок 3.1 – Структурна схема (а) та зовнішній вигляд електронної плати (б) 
інформаційно-вимірювальної системи товщини тонких покриттів в процесі їх 
осадження у вакуумі: 1 – потік осаджуваного матеріалу; 2 – діафрагма;  
3 – вимірювальний сенсор-консоль; 4 – кварцовий елемент; 5 – задаючий 
генератор; 6 – керуючий блок мікроконтролеру; 7 – блок керування модулем 
випарника; 8 – інформаційний індикатор; 9 – до силового блоку модулю 
випарника 
 
Особливостями такої інформаційно-вимірювальної системи, на відміну від 
базової мостової схеми, є можливість проведення багаторазових вимірювань без 
витрат точності та необхідності заміни вимірювального елементу, а також 
незалежність від геометричних та температурних параметрів схеми вимірювання. 
 45 
Запропонований оригінальний метод вимірювання товщини за допомогою 
кварцового резонатора проводився за умов осадження у вакуумі 10-5 Па. В якості 
датчика товщини в кварцовому резонаторі використовується кварцова пластинка з 
резонансною частотою 10 МГц. Джерелом живлення генератора виступає 
стабілізоване джерело живлення Б5-50. Частота вихідного сигналу вимірюється 
приладом Ч3-34А. Товщина покриття визначалася за формулою: 
N 
g g
d   (f  f ) , 
g
  f 2
f g
де Ng=1,668·105 Гц·см – частотна константа, яка залежить від кристалографічної 
орієнтації кварцової пластинки; ρg, ρƒ – відповідно, питома густина кварцу та 
плівки, що напилюється, г/см3; ƒg, ƒ – резонансні частоти кварцової пластини до 
та після напилювання відповідно. 
Проведені випробовування інформаційно-вимірювальної системи товщини 
тонких покриттів показали, що розбіжність значень товщини тонких плівок, які 
отримуються осадженням у вакуумі між результатами отриманими 
розроблюваною системою та альтернативним методом (методом інтерферометрії) 
не перевищує 5%, рис.3.2. 
10
9
8
7
6
5
4
3 1
2 2
1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Товщина плівки, h, мкм  
Рисунок 3.2 – Залежність відносної похибки вимірювання від товщини тонкої 
плівки: 1 – з використанням розробленної інформаційно-вимірювальної системи;  
2 – альтернативним (інтерференційним) методом (прилад МИИ-4) 
 
Як видно із залежності 1 на рис.3.2, точність визначення розробленою 
інформаційно-вимірювальною системою збільшується із збільшенням товщини 
 46 
Відносна похибка 
вимірювання, %
покриття за експоненційним законом. При цьому, мінімальна розбіжність значень 
товщин, визначених за допомогою запропонованої системи та значень, отриманих 
альтернативним методом становить порядку 0,5% для плівок товщиною понад 
80 нм.  
Таким чином, розроблено та досліджено інформаційно-вимірювальну 
систему товщини тонких покриттів в процесі їх осадження у вакуумі, що дозволяє 
реалізувати процес гнучкого керування технологічним процесом високоточного 
(розбіжність значень товщини в порівнянні з інтерферометричним методом – до 
5%) отримання металевих та композиційних функціональних покриттів в 
діапазоні товщин 10-1200 нм 2 нм. Дослідним шляхом становлено, що час від 
моменту отримання інформації з вимірювального кварцового датчика до моменту 
регулювання робочими параметрами випаровувача становить 3,5-6 мс. Розроблена 
інформаційно-вимірювальна система дозволяє здійснювати вимірювання та 
регулювання такими параметрами випаровувача, як струм випаровування, 
швидкість переміщення випарника вздовж осаджуваної поверхні, інтенсивність 
потоку випаровуваної речовини в автоматичному та напівавтоматичному режимі і 
може бути використана, як частина комплексу для автоматизованого отримання 
та модифікування оптичних виробів. 
Таким чином, в ході проведених досліджень було розроблено та апробовано 
резонансний метод визначення товщини тонких композиційних покриттів 
безпосередньо в процесі вакуумного осадження, відхилення якого не перевищує 
5% для діапазону товщин покриттів 10-500 нм. 
 
3.2. Експериментальне дослідження працездатності інформаційно-
вимірювальної системи визначення товщини тонкого покриття у вакуумі 
 
Поверхня основи з оптичного скла сорту К8, яка має форму плоскої, круглої 
пластини діаметром 20 мм, товщиною 2 мм, та яка має розміри 20х20 мм 
товщиною 1 мм після нанесення на них тонких функціональних просвітлюючих 
покриттів досліджувалася за допомогою атомно-силового мікроскопу NT-206. 
 47 
На рисунку 3.3 представлено результати дослідження мікрогеометрії 
поверхні оптичного скла марки К8 з просвітлюючим покриттям методом АСМ 
рисунок 3.3. В результаті проведених досліджень встановлено, що поверхнева 
мікронерівність рельєфу покриттів на таких зразках складає 8,1 нм (для покриттів 
товщиною 100 нм, скло К8), 4,7 нм (для покриттів товщиною 10 нм, скло К8).  
  
1      2 
а 
 
б (1) 
 
б (2) 
 48 
Рисунок 3.3 – Мікрорельєф (а (1 – для плівок товщиною 100 нм, 2 – для 
плівок товщиною 10 нм) та профіль вздовж ділянки (1313 мкм) в центральній 
частині напиленої пластини (б)  
 
На основі проведених досліджень по визначенню мікронерівностей 
поверхні оптичного скла марки К8 були встановлені залежності, які дали змогу 
визначити вплив основних технологічних параметрів (щільності та швидкості) 
осадження покриття на середньоарифметичні мікронерівності поверхні, рисунок 
3.4, 3.5 [19]. 
1 
2 
 
Рисунок 3.4 – Залежність середньоарифметичних мікронерівностей поверхні 
оптичного скла марки К8 (1 – для плівок товщиною 100 нм, 2 – для плівок 
товщиною 10 нм) від щільності осаджуваного матеріалу за різних швидкостях 
осадження (А – V = 120 м/с; Б – 250 м/с, С – 300 м/с) 
 49 
2 
1 
 
Рисунок 3.5 – Залежність середньоарифметичних мікронерівностей поверхні 
оптичного скла марки К8 (1 – для плівок товщиною 100 нм, 2 – для плівок 
товщиною 10 нм) від швидкості осадження за різних значень щільності 
осаджуваного матеріалу (j = 200 мкг/мм2 (А); 400 мкг/мм2 (Б), 600 мкг/мм2 (С)) 
 
Як видно з наведених залежностей при збільшенні щільності осаджуваного 
матеріалу та зменшенні швидкості осадження відбувається зниження 
середньоарифметичних мікронерівностей поверхні.  
Таким чином, використання розробленної інформаційно-вимірювальної 
системи дозволяє отримувати поверхні з високою рівномірністю осаджуваного на 
них функціонального покриття. Так, на рисунку 3.6 представлено розподіл 
мікронерівностей по осадженій поверхні за розглядуваним в роботі методом.  
5
4
3
2 4
1 3
0 2
1
2
3 1
4
 
Рисунок 3.6 – Розподілення середньої висоти мікронерівностей по поверхні 
оптичного скла з нанесеним на нього покриттям 
 50 
3.3 Підтвердження точності визначення товщини покриття, отриманого 
у вакуумі інтерференційним методом 
 
Для підтвердження точності визначення товщини покриття, отриманого у 
вакуумі за допомогою методу, запропонованому в даній роботі, проводилися 
дослідження з використанням інтерферометра. На ілюстративних матеріалах 
наведених нижче представлені результати дослідження форми поверхні 
оптичного скла марки К8 з отриманими за різних режимів покриттями. Відомо, 
що середньоквадратичне відхилення таких поверхонь є найбільш інформативною 
величиною, яка дає можливість охопити всі типи поверхонь. В результаті 
проведених досліджень було встановлено, що отримані у вакуумі покриття на 
оптичних поверхнях відбувається зменшення її відхилення поверхні з  
RMS = -0,06-0,06 до RMS = - 0,038-0,04, рисунок 3.7. 
 
а. 
1 2 
 
 51 
б. 
Рисунок 3.7 – Інтерферограма поверхні оптичних виробів (оптичне скло К8) 
з нанесеним на них тонким функціональним покриттям у вакуумі (а) та 
середньоквадратичне відхилення поверхні за різних щільностей осаджуваного 
матеріалу осадження цих покриттів (б) (j = 600 мкг/мм2 (1); 400 мкг/мм2 (2))  
 
 
Висновки до розділу 3 
 
Розроблена інформаційно-вимірювальна система, в якості вимірювального 
елементу якої використовується кварцовий резонатор з подальшим її 
впровадженням в конструкцію промислової вакуумної електронно-променевої 
установки, що дозволяє покращити технологічний процес отримання тонких 
покриттів. Дана система дозволяє високоточно (відхилення від істиного значення 
товщини покриття не перевищує 5% для діапазону товщин покриттів 10-500 нм) і 
оперативно (в режимі реального часу – час визначення товщини не перевищує  
4 мкс) проводити визначення товщини тонких покриттів (до 1,5 мкм) в процесі їх 
осадження у вакуумі. 
В результаті проведених досліджень встановлено, що поверхнева 
мікронерівність рельєфу просвітлюючих покриттів на оптичних зразках зі скла К8 
збільшується від 4,7 нм (для покриттів товщиною 10 нм) до 8,1 нм (для покриттів 
товщиною 100 нм). 
Встановлені нові залежності впливу параметрів режиму (робочої 
температури випаровуванного матеріалу, швидкості випаровування, відстані до 
осаджуваної поверхні та частоти обертання основи відносно випарника) 
отримання тонкого функціонального покриття у вакуумі на щільність 
розподілення частинок матеріалу, що осаджується, по поверхні, чим дозволило 
підвищити якість технологічного процесу. 
 
 52 
 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 
 
В результаті виконання магістерської роботи було проведене розроблення 
та дослідження інформаційно-вимірювальної системи товщини тонких покриттів 
в процесі їх осадження у вакуумі, що дозволило отримати наступні результати: 
1. В результаті огляду вітчизняної і зарубіжної науково-технічної 
літератури, що дозволив визначити найрозповсюдженіші на сьогодні методи та 
засоби отримання тонких покриттів та визначення їхньої товщини в процесі 
отримання зроблено висновок про доцільність використання інформаційно-
вимірювальної системи. Визначено напрямок дослідження спрямований на 
розроблення та дослідження інформаційно-вимірювальної системи, чим 
покращено технологічний процес отримання тонких покриттів. 
2. Проведено аналітичний розрахунок багатошарового тонкого 
функціонального (на прикладі просвітлюючого) покриття, що дозволив 
встановити основні закономірності отримання такого покриття та визначити його 
товщину, необхідну для найбільш раціонального функціонування такого 
покриття. За результатами розрахунків встановлено, що оптимальною буде та 
конструкція елементу з просвітлюючим покриттям, яка забезпечує максимальний 
коефіцієнт відбиття на робочій довжині хвилі 0=600 нм і більш широку зону 
відбиття в заданій області спектра, що відповідає чотирьох шаровому покриттю.  
3. Побудована числова модель процесу нанесення тонких функціональних 
покриттів у вакуумі, яка виконана за допомогою пакету моделювання фізичних 
процесів Comsol Multiphysics і дозволяє з високою точністю (до 10 нм) визначати 
товщину нанесених покриттів в залежності від їх фізичних характеристик, 
режимів нанесення (робочої температури випаровуванного матеріалу, швидкості 
випаровування, відстані до осаджуваної поверхні та частоти обертання основи 
відносно випарника), враховувати втрати теплової енергії при випроміненні з 
поверхні (не перевищують 1,7%), реальну форму розподілу потоку частинок у 
вакуумі (найбільше відхилення товщини плівки від нормативного значення 
виникає на краях основи). 
4. Встановлені нові залежності впливу параметрів режиму отримання 
покриття у вакуумі (робочої температури випаровуванного матеріалу, швидкості 
 53 
випаровування, відстані до осаджуваної поверхні та частоти обертання основи 
відносно випарника) на щільність розподілення частинок матеріалу як по 
поверхні основи, так і по товщині осаджуваного матеріалу, чим підвищено якість 
технологічного процесу. При цьому, розбіжність розрахункових результатів з 
результатами моделювання та експериментальними даними не перевищує 10-15%. 
5. Розроблена модель дозволяє вводити додаткові обмеження для 
підвищення якості отримання покриттів, як то: максимально допустима швидкість 
осадження матеріалу, що дозволить запобігти поганій адгезії, а також його 
відшаруванню та руйнуванню  основи в процесі оброблення; максимальна частота 
обертання підкладинкотримача зі зразками відносно випарника, що дозволить 
уникати режимів за яких відбувається погіршення площинності та утворення 
хвилястої поверхні. 
6. Розроблена інформаційно-вимірювальна система, в якості 
вимірювального елементу якої використовується кварцовий резонатор з 
подальшим її впровадженням в конструкцію промислової вакуумної електронно-
променевої установки, що дозволяє покращити технологічний процес отримання 
тонких покриттів. Дана система дозволяє високоточно (відхилення від істиного 
значення товщини покриття не перевищує 5% для діапазону товщин покриттів 10-
500 нм) і оперативно (в режимі реального часу – час визначення товщини не 
перевищує 4 мкс) проводити визначення товщини тонких покриттів (до 1,5 мкм) в 
процесі їх осадження у вакуумі. 
7. Встановлені нові залежності впливу параметрів режиму (робочої 
температури випаровуванного матеріалу, швидкості випаровування, відстані до 
осаджуваної поверхні та частоти обертання основи відносно випарника) 
отримання тонкого функціонального покриття у вакуумі на щільність 
розподілення частинок матеріалу, що осаджується, по поверхні, чим дозволило 
підвищити якість технологічного процесу. 
 54