«Розробка технологічного процесу отримання багатофункціональних покриттів на неметалевому матеріалі »

Озіран, Данііл Сергійович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9298
Title:	«Розробка технологічного процесу отримання багатофункціональних покриттів на неметалевому матеріалі »
Authors:	Коваленко, Юрій Іванович Озіран, Данііл Сергійович
Keywords:	Багатофункціональні покриття
Issue Date:	2023
Abstract:	На кваліфікаційну роботу магістра на тему: «Розробка технологічного процесу отримання багатофункціональних покриттів на неметалевому матеріалі». Виконавець: студент групи мНТ–81 Озіран Данііл Сергійович Керівник: кандидат технічних наук, доцент Коваленко Юрій Іванович Кваліфікаційна робота містить 94 сторінку формату А4, 27 рисунків, 5 таблиць, 44 літературних джерел. В кваліфікаційній роботі магістра проаналізовано найбільш поширені оптичні покриття, які використовуються в наукових дослідженнях та промисловості, і приведено приклади їх застосування в різних сферах. Здійснено аналіз різних методів нанесення багатофункціональних покриттів. Встановлено, що електронно-променеве напилення є оптимальним методом для нанесення багатофункціональних покриттів. Проведено аналіз основного технологічного обладнання, для електроннопроменевого напилення, в роботі представлено її принцип роботи, та основні техніко-експлуатаційні характеристики і параметри. Також наведено технологічну послідовність процесу електроннопроменевого напилення. Розглянуто методи розрахунку багатошарового покриття. Проведено дослідження з визначення гідрофобних властивостей багатофункціональних покриттів. Проведено Дослідження мікрогеометрії поверхні батофункціональних покриттів на оптичних матеріалах. Проведено дослідження зносостійкості багатофункціональних покриттів В розділі охорона праці проведений аналіз техніки безпеки при електронно-променевому напиленні нанесенні покриттів.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9298
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Озіран.pdf Restricted Access		3.07 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
 
Міністерство освіти і науки України 
Черкаський державний технологічний університет 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв 
 
До захисту допущено: 
Завідувач кафедри ТОМВ 
____________Георгій КАНАШЕВИЧ 
«_____»_____________2023р. 
 
Пояснювальна записка 
до кваліфікаційної роботи магістра 
 
на тему: «Розробка технологічного процесу отримання багатофункціональних 
покриттів на неметалевому матеріалі »  
 
 
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мНТ-81 
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка» 
Освітня програма – «Обробка металів за 
спецтехнологіями» 
Озіран Данііл Сергійович  
Керівник: к.т.н., доцент Коваленко Ю. І. 
Рецензент: головний інженер ДП «Семпал» 
 Якушев І.В.  
 
 
 
 
 
 
 
Черкаси 2023 р.  
 


 
АНОТАЦІЯ 
 
На кваліфікаційну роботу магістра на тему: «Розробка технологічного 
процесу отримання багатофункціональних покриттів на неметалевому 
матеріалі». 
Виконавець: студент групи мНТ–81 Озіран Данііл Сергійович 
Керівник: кандидат технічних наук, доцент Коваленко Юрій Іванович 
Кваліфікаційна робота містить 94 сторінку формату А4, 27 рисунків,  5 
таблиць, 44 літературних джерел. 
В кваліфікаційній роботі магістра проаналізовано  найбільш поширені 
оптичні покриття, які використовуються в наукових дослідженнях та 
промисловості, і приведено приклади їх застосування в різних сферах. 
Здійснено аналіз різних методів нанесення багатофункціональних покриттів. 
Встановлено, що електронно-променеве напилення є оптимальним методом для 
нанесення багатофункціональних покриттів. 
Проведено аналіз основного технологічного обладнання, для електронно-
променевого напилення, в роботі представлено її  принцип роботи,  та основні 
техніко-експлуатаційні характеристики і параметри. 
Також наведено технологічну послідовність процесу електронно-
променевого  напилення. Розглянуто методи розрахунку багатошарового 
покриття. 
 Проведено дослідження з визначення гідрофобних властивостей 
багатофункціональних покриттів. Проведено Дослідження мікрогеометрії 
поверхні батофункціональних покриттів на оптичних матеріалах. Проведено 
дослідження зносостійкості багатофункціональних покриттів  
В розділі охорона праці проведений аналіз техніки безпеки при 
електронно-променевому напиленні нанесенні покриттів. 
  
3 
 
ANNOTATION 
For the master's qualification thesis on the topic: "Development of the 
technological process of obtaining multifunctional coatings on non-metallic 
material." 
Performer: Daniil Serhiyovych Oziran, a student of the MNT-81 group 
Supervisor: candidate of technical sciences, associate professor Yury Ivanovich 
Kovalenko 
The qualification paper contains 94 pages of A4 format, 27 figures, 5 tables, 
and 44 literary sources. 
The master's thesis analyzes the most common optical coatings used in 
scientific research and industry, and gives examples of their application in various 
fields. An analysis of various methods of applying multifunctional coatings was 
carried out. It has been established that electron beam sputtering is the optimal 
method for applying multifunctional coatings. 
An analysis of the main technological equipment for electron-beam sputtering 
is carried out, the work presents its principle of operation, as well as the main 
technical and operational characteristics and parameters. 
The technological sequence of the electron beam sputtering process is also 
given. The methods of calculating multi-layer coating are considered. 
  A study was conducted to determine the hydrophobic properties of 
multifunctional coatings. The study of the microgeometry of the surface of 
bathofunctional coatings on optical materials was carried out. A study of the wear 
resistance of multifunctional coatings was conducted 
In the occupational safety section, an analysis of safety techniques during electron 
beam sputtering and coating application was carried o  
4 
 
Зміст 
                                                                                                                    ст. 
Вступ………………………………………………………………….........7
 РОЗДІЛ 1. ОГЛЯДОВА ЧАСТИНА 
1.1. Види покриттів……………………………………………………….10 
1.1.1 Фільтруючі покриття ……………………………………………….10 
1.1.2. Топологічні покриття ………………………………………………11 
1.1.3. Відбиваючі покриття ……………………………………………….12 
1.1.4. Поляризаційні покриття ………………………………………….…13 
1.1.5. Просвітлюючі покриття …………………………………………….14 
1.1.6.  Багатофунціональні покриття ……………………………………...15 
1.2.  Особливості синтезу багатофункціональних оптичних покриттів…19 
1.3. Методи нанесення покриттів у вакуумі і їх характеристика………..20 
1.4. Методика розрахунку технологічного процесу нанесення оптичних 
шарів ………………………………………………………………………………..26 
1.5. Сучасні методи контролю товщини в процесі формування покриттів 
оптичного призначення ……………………………………………………………29 
Висновки до розділу 1……………………………………………………….32 
РОЗДІЛ 2 ТЕХНОЛОГІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ОТРИМАННЯ 
БАГАТОФУНКІОНАЛЬНИХ ПОКРИТТІВ 
2.1. Обладнання, що використовується у процесі виготовлення 
багатофункціональних покриттів …………………………………………………33 
2.2 Контроль товщини покриттів в процесі напилення…………………...43 
2.3 Методи розрахунку багатошарового покриття ……………………….46 
2.4. Спектрофотометр СФ-26-10 …………………………………………..53 
Висновки до розділу 2………………………………………………………55 
 
РОЗДІЛ 3. ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА 
5 
 
3.1. Проектування оптичних покриттів…………………………………….56 
3.2 Визначення гідрофобних властивостей багатофункціональних 
покриттів   ………………………………………………………………………….61 
3.3. Дослідження зносостійкості багатофункціональних покриттів……..64 
3.4 Дослідження мікрогеометрії поверхні батофункціональних покриттів 
на оптичних матеріалах …………………………………………………………66 
3.5. Технологічний процес напилення багатофункціональних покриттів.69 
Висновки до розділу 3 ……………………………………………………74 
РОЗДІЛ 4.ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ 
СИТУАЦІЯХ 
4.1. Аналіз умов праці та оцінка безпеки в надзвичайних ситуаціях при 
роботі на установках вакуумного напилювання……………………………….75 
4.2. Електрична безпека……………………………………………………77 
4.3. Пожежна безпека………………………………………………………79 
4.4.  Радіаційна безпека…………………………………………………….80 
4.5. Вентиляція приміщення ………………………………………………81 
4.6. Шумо - та віброзахист ділянки……………………………………….81 
4.7. Мікроклімат …………………………………………………………..82 
4.8 Планування комплексу чистого приміщення ………………………..84 
Висновки до розділу 4……………………………………………………..89 
 
Висновки……………………………………………………………………..….90 
Список використаної літератури ……………………………………………91 
  
6 
 
Вступ 
 
Оптика тонких шарів є новою галуззю прикладної оптики, яка швидко 
розвивається з середини 20 століття. Розвиток цієї галузі був спричинений 
успішним практичним застосуванням явищ інтерференції і поляризації світла в 
тонких прозорих шарах. Це викликало радикальні зміни в оптичних та інших 
характеристиках поверхонь, таких як скло або інших оптичних середовищ. 
Оптичні покриття представляють собою надтонкі шари діелектриків, 
металів або напівпровідників, які формуються на поверхнях масивних деталей 
або спеціально підготовлених підложок різними методами. Тонкі покриття 
широко використовуються в галузі оптики, мікроелектроніки, оптоелектроніки 
та інших наукових і технічних областях. 
Унікальні характеристики тонкоплівкових оптичних покриттів 
дозволяють формувати різноманітні спектральні характеристики фільтрів. 
Завдяки сучасним засобам відкачування, точним системам контролю товщини, 
новим методам виготовлення та контролю оптичних плівок можна отримувати 
плівки з матеріалів, які раніше не були вивчені. Це відкриває можливість 
істотного розширення не лише робочого спектрального діапазону отриманих 
оптичних покриттів, але і різноманіття їх спектральних характеристик. 
Використання оптичних покриттів дозволяє відповідним чином 
змінювати спектральний коефіцієнт пропускання (відбиття), надаючи 
можливість виділяти вузькі ділянки спектра з напівшириною смуги 
пропускання до 1 нм і навіть менше (у випадку вузькосмугових 
інтерференційних фільтрів), або, навпаки, охоплювати порівняно широкі 
ділянки спектра (широкосмугові фільтри). Також можливо використовувати 
оптичні покриття для чіткого відокремлення одного спектрального діапазону 
від іншого, наприклад, за допомогою відрізаючих фільтрів. 
При нахилі вузькосмугового інтерференційного фільтра важливо 
забезпечити високу прозорість шарів діелектричних дзеркал і розділового шару, 
що є необхідною умовою для досягнення високого коефіцієнта пропускання. 
Навіть невелике зменшення прозорості цих шарів призводить до різкого 
7 
 
зниження коефіцієнта пропускання фільтра. При виготовленні дзеркал і 
розділового шару з фотохромних матеріалів можна досягти еквівалентного 
результату в модуляції при значному зниженні потужності керуючих світлових 
потоків. 
Важливо відзначити значущу роль тонкошарових покриттів у підвищенні 
коефіцієнта пропускання оптичних систем, що сприяє підвищенню їх 
світлосили. Навіть одношарове діелектричне покриття може суттєво впливати 
на властивості переломленої та відбитої складових світлової хвилі на межі двох 
середовищ. З використанням двошарових, трьошарових та багатошарових 
покриттів, ретельно підібраних, можливо значно знизити коефіцієнт відбиття на 
заломлюючих оптичних поверхнях у широкому спектральному діапазоні 
(досягнення ахроматичності) і одночасно надати захисні властивості 
поверхням, зокрема, на гігроскопічних і полімерних матеріалах. При цьому 
важливими є перспективи використання неоднорідних по товщині покриттів з 
еволюційним показником заломлення. Використання цих покриттів дозволяє 
значно модифікувати механічні, оптичні, електричні, магнітні, теплові та 
хімічні характеристики вихідного матеріалу, що призводить до отримання 
виробів із необхідними властивостями. 
Таким чином, мета роботи полягає в вдосконаленні технологічного 
процесу напилення багатофункціональних покриттів на оптичному матеріалі 
 Задачі магістерської роботи : 
1. провести літературний огляд сучасних методів отримання 
багатофункціональних покриттів; 
2.  провести дослідження процесу отримання багатофункціональних 
покриттів електронно-променевим методом; 
3. вдосконалити технологічний процес отримання 
багатофункціональних покриттів; 
4 .  експериментально отримати на оптичному матеріалі 
багатофункціональ покриття;  
5 .  провести дослідження отриманих багатофункціональних покриттів; 
6. в розділі охорона праці провести аналіз техніки безпеки при електронно-
8 
 
променевому напиленні нанесенні покриттів. 
Об’єкт дослідження: електронно-променеве напилення 
багатофункціональних покриттів на оптичні матеріали.  
Предмет дослідження: багатофункціональні покриття на оптичному 
матеріалі отримані електронно-променевим напиленням. 
  
9 
 
РОЗДІЛ 1. ОГЛЯДОВА ЧАСТИНА 
 
1.1. Види покриттів 
В галузі сучасного приладобудування використовуються різноманітні 
покриття, що розрізняються як за їхніми властивостями, так і за методами 
отримання. Використання захисних, захисно-декоративних та спеціальних 
функціональних покриттів дозволяє вирішувати різноманітні технологічні 
завдання. Під час вибору матеріалів для покриттів, умов їх застосування та 
комбінування металевих і неметалевих видів покриттів можна надавати 
поверхні виробів різні кольори і текстури, а також необхідні фізико-механічні 
та хімічні властивості, такі як підвищена твердість і стійкість до зношування, 
висока віддзеркалююча здатність, поліпшені антифрикційні характеристики та 
інші. Оптимальний вибір покриттів та їх областей використання неможливий 
без всебічного врахування їхніх властивостей і особливостей отримання[1]. 
Терміном "покриття" мається на увазі тонкий шар матеріалу (включаючи 
хімічно чистий неорганічний або складний склад органічних сполук), який 
наносять на поверхню елемента або деталі приладу. В залежності від 
характеристик, призначення, функціональних особливостей та умов 
експлуатації пристроїв, покриття можуть бути фільтруючими, змінюючи 
показник заломлення, віддзеркалюючими, просвітлюючими, декоративно-
захисними, мають високі механіко-експлуатаційні характеристики, стійкі до 
впливу агресивного середовища, електропровідними та напівпровідниковими, з 
особливими функціональними властивостями, поляризаційними тощо. Усі ці 
види покриттів відрізняються як за своєю природою, так і за методами 
отримання, а також за сферами їх використання[1]. 
 
1.1.1 Фільтруючі покриття 
 
Світлофільтром вважається шар, зазвичай плоскопаралельний, будь-якої 
речовини, що має вибіркову пропускну здатність для світла. Світлофільтри 
здатні змінювати спектральний склад або енергію світлової хвилі, яка падає на 
10 
 
них, при цьому майже не змінюючи форму її фронту. Існують різні типи 
світлофільтрів[1]: 
Цей вид покриттів має велику різноманітність і може бути умовно 
поділений на кілька підгруп: відрізуючі світлофільтри, смугові світлофільтри і 
вузькосмугові світлофільтри. Основна відмінність між ними полягає в 
спектральних характеристиках. Світлофільтри впливають на яскравість та 
колірні співвідношення між видимими об'єктами, а також зменшують 
хроматичну аберацію. Вони широко використовуються для покращення 
видимості, зокрема контрастності, в умовах, несприятливих для сприйняття 
(таких як серпанок, туман, засліплююче світло, об'єкти з низькою 
контрастністю). Наприклад, жовті та помаранчеві світлофільтри ефективно 
абсорбують сині та фіолетові промені, і їх використання в умовах повітряного 
серпанку поліпшує контрастність. За тумани рекомендуються помаранчеві або 
червоні світлофільтри. Додатково, у приладах часто використовують набір 
змінних світлофільтрів. У морських візирах або прицілах можуть 
використовуватися помаранчеві, жовті, нейтральні (іноді зелені) світлофільтри. 
У зимовий період за яскравого сонячного світла може застосовуватися 
нейтральний або синій світлофільтр[1]. 
 
1.1.2. Топологічні покриття 
Топологічні покриття представляють собою спеціальний тип покриттів з 
елементами, що змінюють коефіцієнт відображення або пропускання по 
поверхні. Цей вид покриттів має широкі застосування, зокрема в лазерній 
техніці, де вони можуть використовуватися як складові резонаторів лазерів, 
формуючи випромінювання з вузькою діаграмою спрямованості[1]. 
Ще однією областю застосування топологічних покриттів є створення 
покриттів, які змінюють форму поверхні відображаючого або заломлюючого 
оптичного елемента. Такі покриття можуть включати асферичні елементи, які 
відзначаються сталістю коефіцієнта відбиття при зміні товщини одного або 
кількох шарів. 
11 
 
Розробка таких систем вимагає детального вивчення конструкції, зокрема 
показників заломлення, оптичних товщин шарів та розподілу товщини по 
поверхні оптичного елемента. Основне ускладнення полягає у точному 
відтворенні розрахункового розподілу товщини шарів та їх контролі під час 
напилення, що потребує проведення відповідних досліджень. Зокрема цікавим є 
вивчення оптичних параметрів плівок з великим градієнтом товщини, яка 
змінюється від нуля до чверті довжини хвилі в процесі[1]. 
 
1.1.3. Відбиваючі покриття  
Створення оптичних систем з максимальним коефіцієнтом відображення 
та розширенням спектрального діапазону є складною задачею, яку можна 
вирішити за допомогою сучасних методів синтезу багатошарових 
діелектричних систем[1]. 
Одним із викликів при розробці таких систем є збільшення коефіцієнта 
відображення до максимально можливого значення, близького до 100%. Проте 
це може вести до збільшення загальної товщини діелектричної системи, що 
може спричинити механічні напруги та руйнування системи. Розв'язання цієї 
проблеми може включати підбір пар шарів, які взаємно компенсують внутрішні 
напруги. 
Для створення широкосмугових систем можливо використовувати 
металодіелектричні системи, особливо при розробці лазерних систем, де 
зменшення напруженості електричного поля світлової хвилі випромінювання 
може бути досягнуте за допомогою металевих шарів[1]. 
Іншою перспективною областю є застосування систем з шарами, які 
мають визначений градієнт показника заломлення вздовж їх товщини. Такі 
системи дають змогу не лише підвищувати механічну міцність і променеву 
стійкість покриття, але й дозволяють реалізувати вузькосмугові системи, які 
працюють на кратних і не кратних довжинах[1].  
12 
 
 
Рисунок 1.1 Відбиваючі покриття 
 
1.1.4. Поляризаційні покриття  
Поляризаційні покриття використовуються в оптико-електронних 
пристроях для маніпулювання поляризацією випромінювання. Орієнтація 
площини поляризації та відношення між поляризаціями можуть змінюватися 
залежно від призначення пристрою. Багатошарові діелектричні системи 
дозволяють контролювати властивості відбитого або пропущеного 
випромінювання в залежності від конструкції та кута падіння 
випромінювання[1]. 
Характеристики поляризаційних покриттів значно залежать від кута 
падіння випромінювання та розбіжності падаючого потоку. Для ефективного 
управління цими характеристиками необхідно докладно контролювати процес 
осадження шарів, і стабільність цього процесу важлива[1]. 
Однак створення таких покриттів ускладнюється непостійністю 
показників заломлення матеріалів шарів та недостатньою точністю контролю 
товщини шарів під час осадження. Ці виклики можуть впливати на властивості 
покриття та його ефективність, особливо при великих кутах падіння та 
широкому спектральному діапазоні[1]. 
Для досягнення високої точності і стабільності рекомендується 
використовувати сучасні методи контролю та технології виготовлення, а також 
13 
 
проводити дослідження для вдосконалення матеріалів і процесів, 
використовуваних у створенні поляризаційних покриттів. 
 
1.1.5. Просвітлюючі покриття  
Головне та класичне завдання просвітлюючих покриттів полягає в 
розширенні спектрального діапазону та зменшенні залишкового відбиття. 
Основою їхньої ефективності є явище інтерференції світлових хвиль. Структура 
покриття, включаючи товщину та показники заломлення його шарів, 
підбирається так, щоб світлові хвилі, які відбиваються від обох його поверхонь, 
мали різницю ходу, рівну половині довжини хвилі. Одночасно ці хвилі повинні 
мати однакову амплітуду та довжину. Просвітлюючі покриття складаються з 
тонких шарів неорганічних речовин з різними показниками заломлення, які 
наносяться за допомогою спеціальної вакуумної техніки. В процесі нанесення 
вакуум дозволяє перетворити початкові матеріали в газову фазу, яка осідає на 
поверхні лінз. Принцип дії таких покриттів полягає в мінімізації відбитого 
світла і базується на явищі інтерференції. Відбиті промені інтерферують та 
взаємодіють, щоб гасити один одного, створюючи умови для підсилення 
світлового потоку[1]. 
Сучасні широкосмугові покриття включають в себе більшу кількість 
шарів, завдяки чому їх ефективність просвітлення охоплює значно більший 
діапазон видимого спектру. Для досягнення оптимального ефекту показник 
заломлення просвітлюючого шару часто налаштовується на квадратний корінь 
від показника заломлення оптичного скла лінзи, представленого як n1, n2, n3 
тощо.  
Багатошарові просвітлюючі покриття складаються з послідовності шарів, 
їхня кількість може досягати 15 і більше. Ці шари чергуються та виготовлені з 
двох чи більше матеріалів, які мають різні показники заломлення. Такі 
покриття відзначаються низькими втратами на віддзеркалення, наприклад, 
вузькосмугові покриття для лазерної оптики мають відбивну здатність нижче 
0,2%, а широкосмугові – до 0,5%. Однією із ключових переваг багатошарового 
просвітлення є невелика залежність відбивальної здатності від довжини хвилі в 
14 
 
межах видимого діапазону. У порівнянні з фотографічними та оптичними 
системами для спостереження, це забезпечує менше спотворень кольору, 
оскільки відбивна здатність не виявляє великої зміни при зміні довжини 
хвилі[1]. 
 
1.1.6.  Багатофунціональні покриття  
Антистатичні покриття вирішують проблему електризації та запилення 
оптичних лінз. Оптичні матеріали, які використовуються для лінз, володіють 
високими показниками поверхневого і об'ємного опору, що дозволяє їм 
накопичувати електричні заряди на своїй поверхні[1]. 
Статична електрика виникає під час очищення поверхні лінз сухою 
серветкою. Позитивно заряджені матеріали, такі як суха людська шкіра, нейлон, 
шовк і інші, при контакті з поверхнею лінз можуть взаємодіяти з речовинами 
просвітлюючого покриття, створюючи електричний заряд на поверхні лінз. 
Після очищення або контакту з зарядженими матеріалами електричний 
заряд може тривалий час залишатися на поверхні лінз, привертаючи заряджені 
частки пилу з навколишнього повітря[1]. 
Присутність пилу призводить до погіршення оптичних характеристик 
лінз, а в більшості промислових міст пил містить дрібнодисперсні частки 
кварцу, які можуть пошкодити поверхню органічних лінз. Спроби видалення 
пилу можуть призвести до ще більшого електростатичного заряду, подряпин і 
скорочення терміну експлуатації лінз[1]. 
Вирішити цю проблему допомогли компанії, що розробили нові 
багатофункціональні покриття з антистатичними властивостями. Сучасні 
методи  отримання даних покриттів дозволяють поєднувати високу абразивну 
стійкість з опірністю до забруднень і запилення, не зменшуючи високі 
показники світлопроникності[1]. 
15 
 
 
Рисунок 1.2 Структура багатофункціонального покриття  
У багатошаровій структурі введено додаткові антистатичні шари з 
високою електропровідністю, які заважають утворенню та накопиченню заряду 
статичної електрики і притягують частинки пилу з повітря (рис. 1.2). 
Гідрофобні покриття, що буквально означає "ті, що бояться води," 
використовуються як верхні або завершальні шари у складних багатошарових 
структурах сучасних багатофункціональних покриттів. Вони допомагають 
зберігати чистоту і прозорість окулярних лінз під час експлуатації. 
Поверхні, які потребують гідрофобних покриттів, відрізняються за 
хімічним складом і вільною поверхневою енергією, обумовленою 
властивостями молекул речовини в зовнішньому шарі. Показником поверхневої 
енергії є контактний кут мокриння (θ), який визначається взаємодією рідини з 
твердою підкладинкою за участі газового довкілля – повітря (рис. 1.3) [1]. 
 
Рисунок 1.3 Крайові кути змочування деяких поверхонь 
16 
 
У випадку коли рідина розтікається по поверхні і кут Θ менше 90°, то 
поверхня вважається гідрофільною. З іншого боку, якщо рідина утримує форму 
кульки і кут Θ більше 90°, то поверхня вважається гідрофобною. 
Кут змочування поверхні лінзи з прозорим покриттям (без гідрофобного 
покриття) становить близько 20 градусів. Органічні лінзи із зміцнюючим 
покриттям мають кут змочування приблизно від 40 до 60 градусів, залежно від 
складу покриття. 
Для створення водовідштовхуючих покриттів можна використовувати 
різні типи полімерних матеріалів, такі як вуглеводні, силікони та фторовмісні 
вуглеводні. Вуглеводневі сполуки забезпечують кут змочування приблизно 90º, 
силікони – понад 100°, а фторовмісні вуглеводні – понад 110°. 
На поверхню багатошарового просвітлюючого покриття наносять 
гідрофобний шар, який вирівнює нерівності поверхні, зменшуючи коефіцієнт 
тертя і полегшуючи процес очищення лінз. Товщина гідрофобних шарів дуже 
мала – всього 20 нм, проте ці тонкі плівки значно впливають на хімічні та 
фізико-хімічні властивості поверхні, суттєво знижуючи її поверхневу енергію. 
[1]. 
Результатом є те, що поверхня лінз стає водовідштовхувальною, а в 
деяких випадках – і оліє- та жировідштовхуючою, оскільки збільшується кут 
змочування поверхні оліями і жиром. Це полегшує очищення лінз і зменшує 
їхню привабливість для бруду. 
Гідрофобні покриття мають ще одну перевагу - вони захищають 
просвітлююче покриття від проникнення вологи. Це сприяє тривалішому 
збереженню його цілісності і підтримує адгезію до лінзи або зміцнюючого 
шару[1]. 
17 
 
 
а.   б.    в. 
Рисунок 1.4 Принцип дії ефекту «самоочищення» для гідрофобного 
покриття можна визначити за наступною схемою: а) краплина води опускається 
на поверхню із покриттям "гідротект"; б) краплини води об'єднуються, 
утворюючи рівномірну плівку; в) водяна плівка рівномірно стікає, видаляючи 
всі частинки бруду 
 
Покриття з властивістю до протизапітніння розв'язує проблему запітніння 
лінз, що є актуальною для багатьох користувачів. За результатами міжнародних 
досліджень у семи країнах світу, в яких взяли участь 1493 учасники, 75% з них 
виразили бажання мати оптимальний спосіб вирішення цієї проблеми. 
Запітніння може призводити до різкого зниження прозорості лінз при 
переході від холоду до тепла, що може викликати неприємності для 
користувачів лінз і створювати потенційно небезпечні ситуації. Сучасні 
багатофункціональні покриття проявляють меншу схильність до запітніння, 
оскільки вода не розтікається по поверхні, а швидко скатується. Для зменшення 
запітніння лінз часто використовують різноманітні спреї і серветки, які 
тимчасово забезпечують стійкість лінз до запітніння.  
18 
 
1.2.  Особливості синтезу багатофункціональних оптичних покриттів 
 
Багатошарові інтерференційні покриття вибираються з різних матеріалів 
залежно від їхньої конструкції та робочого діапазону довжин хвиль. Оскільки ці 
покриття виготовляються методами напилення, важливо, щоб оптичні 
властивості плівкових матеріалів відповідали кільком ключовим критеріям[2]: 
1. Прозорість: повні світлові втрати в плівках мають бути 
мінімальними, особливо важливо це при створенні багатошарових оптичних 
покриттів з різних матеріалів. Загальні втрати в багатошарових системах 
обумовлені сумою втрат на розсіювання та справжнє поглинання. 
2. Оптимальний показник заломлення повинен відповідати завданому 
значенню для досягнення оптимальної ефективності покриття. 
3. Оптична однорідність: плівки повинні бути максимально оптично 
однорідними, без дефектів, таких як пори, тріщини або бульбашки. 
4. Відносна густина: важливий параметр, який визначає масу плівки в 
одиницю об'єму. Висока відносна густина може вказувати на компактність та 
стійкість покриття. 
5. Адгезія і твердість: плівкові матеріали повинні мати високу адгезію 
до поверхні та достатню твердість, а також низькі механічні напруги. 
6. Хімічні властивості: матеріали повинні відповідати умовам 
експлуатації, включаючи розчинність і реактивність. 
7. Стабільність в умовах експлуатації: поведінка матеріалів повинна 
залишатися стабільною в зазначених умовах середовища експлуатації. 
Для забезпечення низьких світлових втрат в багатошарових оптичних 
покриттях, важливо, щоб втрати були менше 0,01%. 
Зазначені параметри для показника заломлення (n) визначаються різними 
факторами: 
Природа матеріалу: показник заломлення зазвичай зростає із збільшенням 
атомної ваги елемента. Наприклад, для вуглецю (C) n = 2,38, для кремнію (Si) n 
= 3,4, для германію (Ge) n = 4,0 (при довжині хвилі λ = 4 мкм). У сполуках з 
переважно іонними зв'язками показник заломлення може бути нижчим, ніж у 
19 
 
сполуках із домінуючим ковалентним зв'язком, наприклад, для PbF2 n = 1,76, 
для PbO n = 2,6, для PbTe n = 3,9. 
Кристалічна структура: деякі матеріали можуть мати різні кристалічні 
фази або аморфну структуру, що суттєво впливає на їхні властивості. 
Наприклад, у плівках TiO2 зафіксована сильна залежність показника 
заломлення від температури підложки, яка визначає структуру плівок. Зміна 
температури може призводити до аморфного стану, структури анатазу або 
рутилу, або суміші аморфної і кристалічної фаз.Зміна розміру зерен, густини та 
концентрації поглиблених парів води.  Ці фактори можуть впливати на оптичні 
властивості плівок, зокрема, на показник заломлення. 
Враховуючи вказані фактори, параметри показника заломлення можуть 
зазнавати значних змін в залежності від умов і властивостей матеріалів. 
 
1.3. Методи нанесення покриттів у вакуумі і їх характеристика 
 
Основні методи вакуумного напилення[4-17]: 
Термічне випаровування використовує вакуум в розподіленні 10-2 Па і 
нижче. Речовина випаровується з джерела і напилюється на поверхню деталі 
прямолінійним рухом частинок. 
Катодне розпилення здійснюється при тиску 1 Па. Частинки 
розпилюються з катоду під впливом плазми, що утворюється в вакуумі. 
Магнетронне розпилення використовується при тиску 10-1 - 10-2 Па. 
Застосовує магнітне поле для напрямлення плазми, що призводить до більш 
ефективного розпилення. 
Іонно-плазмове розпилення використовується при тиску 10-1 - 10-2 Па. 
Залучає іони для поліпшення адгезії напилюваного шару. 
Застосування вакуумного напилення: 
- вакуумне напилення використовується в планарній технології 
напівпровідникових мікросхем для нанесення провідних, діелектричних, 
захисних шарів, масок та ін.; 
20 
 
- застосовується в виробництві тонко-плівкових гібридних схем для 
нанесення різних видів покриттів; 
- використовується для створення акустоелектронних пристроїв; 
- застосовується для нанесення просвітлюючих, відбиваючих та інших 
покриттів в оптиці; 
- використовується при металізації поверхні пластмасових і скляних 
виробів, наприклад, у тонуванні скла автомобілів. 
Переваги вакуумного напилення: 
- дозволяє отримати тонкі та однорідні покриття; 
- забезпечує високу якість покриття без великих відхилень від заданих 
параметрів; 
- може бути використаний для різних матеріалів, включаючи метали, 
діелектрики та напівпровідники. 
Вакуумне напилення є важливим процесом в сучасній промисловості для 
створення різноманітних функціональних покриттів з різних матеріалів на 
поверхнях деталей і пристроїв. 
Магнетронне розпилення 
Магнетронне розпилення (також відоме як магнетронне осадження) - це 
процес вакуумного напилення, який використовує магнітне поле для 
покращення ефективності розпилення матеріалу. Основним елементом цієї 
системи є магнетронний розпилювач, який складається з катоду-мішені, аноду 
та магнітної системи. 
Основні елементи магнетронного розпилювача[4-17]: 
1. Катод-мішень, це місце, де знаходиться матеріал, який буде 
розпилено. Катод може мати форму циліндра, пласкості або бути кільцевим (S-
тип). 
2. Анод знаходиться навпроти катоду і служить для збору 
розпиленого матеріалу. Він створює електричне поле, яке допомагає у 
направленні розпиленого матеріалу на поверхню, що осаджується. 
21 
 
3. Магніти, розташовані навколо катоду, створюють магнітне поле. Це 
поле змушує заряджені частинки матеріалу рухатися вздовж поверхні катоду, 
що збільшує їхню енергію та ефективність розпилення. 
Типи магнетронних розпилювальних систем: 
1. Системи з циліндричним катодом - катод має форму циліндра, і 
магніти розташовані вздовж його бокової поверхні. 
2. Системи з плоским катодом - катод має плоску форму, і магніти 
розташовані на одній або обох сторонах плоскої поверхні. 
3. Кільцеві катоди S-типу - катод має кільцеву форму, і магніти 
розташовані вздовж кільця. 
Магнетронне розпилення дозволяє отримувати однорідні, тонкі та якісні 
покриття на різних поверхнях. Цей метод застосовується в різних галузях, 
включаючи виробництво напівпровідникових пристроїв, тонко-плівкових схем, 
оптичних покриттів та інших високотехнологічних застосувань. 
 
Рисунок 1.5 Конструкція системи магнетронного розпилення з плоским 
катодом: 1 – катод-мішень; 2 – магнітна система; 3 – анод; 4 – підложка; 5 – 
зона розпилення 
 
Так, метод магнетронного розпилення має декілька значущих переваг, які 
роблять його привабливим у ряді високотехнологічних застосувань: 
- Як виправдання бомбардування підкладки вторинними електронами 
через захват магнітною пасткою дозволяє уникнути перегрівання підкладки. Це 
особливо важливо для матеріалів з низькою термостійкістю, таких як полімери і 
композитні матеріали. 
22 
 
- Завдяки використанню магнітрона можливо здійснювати 
високошвидкісне осадження плівок. Це є важливим фактором в сучасних 
технологіях, де час виробництва є критичним. 
- Можливість напилювати плівки на матеріали з низькою термостійкістю, 
такі як поліметилметакрілат, поліімід, поліетилентерефталат, розширює сферу 
застосування методу, зокрема, в мікроелектроніці і комп'ютерній техніці. 
- Магнетронне розпилення можна використовувати для напилення плівок 
на різноманітні матеріали, включаючи ті, що використовуються в сучасних 
технологіях. 
Такі переваги роблять метод магнетронного розпилення одним з 
передових в області вакуумного напилення, зокрема для виробництва 
тонкоплівкових електронних пристроїв та інших високотехнологічних 
продуктів. 
Електронно-променеве напилення[4-9]. 
Електронно-променеве випаровування є важливим елементом 
виробництва тонкоплівкових покриттів. Дозвольте детальніше розглянути деякі 
особливості та переваги цього методу: 
- Електронно-променеві випарники відрізняються відмінним 
фокусуванням електронного пучка. Це дозволяє досягати високої концентрації 
потужності, що є важливим для ефективного випаровування матеріалів. 
- Завдяки гарному фокусуванню електронів, електронно-променеві 
випарники забезпечують високу температуру в нагрітій зоні. Це дозволяє 
випаровувати навіть високотемпературні матеріали з великою швидкістю. 
- Метод дозволяє отримувати високу швидкість осадження тонких плівок. 
Це особливо важливо для виробництва електронічних та оптичних пристроїв, 
де важлива тонка і однорідна плівка. 
- Швидке переміщення нагрітої зони, регулювання потужності нагріву та 
контроль швидкості осадження надають можливість для автоматичного 
управління процесом. 
23 
 
- Метод ефективно реалізує автотигельне випаровування матеріалу, що 
забезпечує високу чистоту та однорідність осадження. Це важливо для деяких 
додаткових застосувань, де потрібна висока якість плівок. 
Процес електронно-променевого випаровування розпочинається на 
термокатоді, де відбувається термоелектронна емісія електронів. Ці електрони 
прискорюються в напрямку водоохолоджуваного анода. Коли електрони 
надходять до речовини, що випаровується, вони взаємодіють з її поверхнею, 
призводячи до ефекту бомбардування. Однак частина кінетичної енергії 
електронів витрачається на різні процеси, такі як рентгенівське 
випромінювання (0,1%) та утворення вторинних електронів (15-30%). Ці втрати 
енергії важливо враховувати при проектуванні та управлінні процесом, 
оскільки вони впливають на ефективність випаровування та розподіл тепла. 
Процес гальмування електронів в поверхневому шарі матеріалу важливий для 
конкретного управління процесом. Відомо, що глибина цього гальмування 
становить 1-2 мікрометри, і це може впливати на товщину шару, який 
формується під час випаровування. При максимальних ступенях фокусування 
електронного променя випарники мають високу ефективність. Це важливо для 
досягнення високої концентрації потужності та ефективного випаровування. 
Електронно-променеве випаровування знайшло широке застосування в 
виробництві мікроелектроніки, електронних пристроїв, сенсорів, 
тонкоплівкових сонячних батарей та інших областях високотехнологічного 
виробництва. 
Іонно-променеве напилення[4-6]. 
Іонно-променева система представляє собою цікавий метод напилення. 
Розглянемо деякі ключові: 
- Один з основних плюсів іонно-променевого напилення полягає в тому, 
що воно дозволяє уникнути нагрівання підложок під час осадження. Це 
важливо, оскільки деякі матеріали можуть бути чутливими до тепла. 
- Оскільки іони взаємодіють з поверхнею матеріалу мішені, що 
випаровується, можливе розпорошення атомів. Це дозволяє отримувати щільні 
24 
 
та гладкі плівки без значного радіаційного впливу, а також з меншим 
забрудненням у вакуумних умовах. 
- Визначальними параметрами є розпилююча дія атома/іона (S), енергія 
іонів, кут падіння іонів та умови розпилення мішені. Ці параметри можуть бути 
регульовані для досягнення бажаних властивостей плівок. 
- Іонний пучок надає велику гнучкість, оскільки можна контролювати 
енергію іонів, потік, кут падіння іонів. Це важливо для досягнення 
різноманітності властивостей тонких плівок і для адаптації до різних матеріалів 
і умов процесу. 
Зазначено недоліки, такі як велика вартість і складність процесу 
покриття, а також трудність масштабування процесу порівняно з іншими 
методами розпилення. Це може обмежувати використання цього методу в 
деяких виробничих умовах. 
Іонно-променеве розпилення залишається важливим інструментом для 
отримання тонких плівок з різноманітними властивостями, особливо коли 
важливе уникнення нагрівання підложок і забезпечення високої якості 
покриття. 
 
Рисунок 1.6 Схема іонно-променеве розпилення: 1 - подача робочого 
газу; 2 - термоелектронний катод, 3 - анод; 4 - магнітна система; 5 - 
прискорюючий електрод; 6 - пучок іонів; 7 – матеріал, що розпорошується; 8 - 
підложкотримач; 9 - приєднання до вакуумної системи; а - іонна гармата; б - 
схема напилення.  
25 
 
1.4. Методика розрахунку технологічного процесу нанесення оптичних 
шарів 
 
Зазвичай алгоритм розробки оптичних багатошарових покриттів включає 
такі основні етапи[21-30]: 
Теоретичний розрахунок - визначення структури покриття на основі 
технічного завдання. На цьому етапі проводяться розрахунки, щоб визначити 
оптимальні плівкоутворюючі матеріали, оптичні (геометричні) товщини шарів 
та їх кількість. Це може включати в себе вибір матеріалів з певними 
властивостями, які задовольняють вимоги покриття. 
Реалізація покриття - виготовлення розрахованого покриття на вакуумних 
установках. Цей етап включає нанесення шарів матеріалів на поверхню об'єкта 
з використанням вакуумної техніки. 
Вимірювання характеристик - проведення експериментальних 
вимірювань оптичних характеристик покриття. Ці вимірювання дозволяють 
порівняти отримані експериментальні результати з розрахунковими і визначити 
відповідність між ними. 
Коригування структури - у разі виявлення розбіжностей між 
експериментальними та розрахунковими результатами вносяться корективи у 
структуру покриття. Це може включати зміни у товщинах шарів, вибір інших 
матеріалів або модифікації конструкції. 
Повторення процедури - процес повторюється до отримання задовільної 
відповідності між експериментальними та розрахунковими результатами. Це 
може включати кілька ітерацій, де покриття переробляється та перевіряється 
декілька разів, доки досягається бажаний результат. 
Вирішення проблеми синтезу оптичних покриттів є однією з найбільш 
актуальних і складних задач в області теорії інтерференційних покриттів. 
Синтез має великий практичний інтерес, оскільки він дозволяє визначити 
оптимальні показники заломлення і товщину шарів інтерференційних 
покриттів, що забезпечують максимальне наближення до встановлених 
оптичних властивостей. На сьогоднішній день універсальний метод синтезу 
26 
 
покриттів ще не розроблено. Проте було досягнуто значного прогресу у 
вирішенні більш конкретних задач, які обмежені певними умовами. Більшість 
робіт в області теорії конструювання інтерференційних покриттів можна 
розділити на три основні напрями: 
Конструювання на основі еквівалентних шарів і границь включає в себе 
підхід, де оптичне покриття розглядається як система еквівалентних шарів і 
границь, і конструкція вирішується на основі цих уявлень. 
Аналітичні методи синтезу - використовує аналітичні підходи для 
розрахунку та синтезу інтерференційних покриттів, враховуючи різні 
параметри і умови. 
Машинні методи синтезу тонкошарових покриттів - оснований на 
використанні різноманітних алгоритмів і моделей, що використовують 
обчислювальну техніку для автоматизованого синтезу тонкошарових покриттів. 
Конструювання покриттів на основі еквівалентних шарів  і аналізу 
оптичних властивостей системи 
Запропонований метод базується на використанні симетричних 
непоглинаючих систем плівок для створення покриттів з оптичними 
характеристиками, що наближаються до заданих параметрів. Такі системи 
складаються з секцій, які ідентичні окремим шарам з еквівалентним 
показником заломлення (залежить від довжини хвилі) і товщиною. Наразі існує 
велика кількість добре вивчених симетричних секцій, зокрема елементарні 
чарунки типу 0,5ВН0,5В і 0,5НВ0,5Н, які включають матеріали з високим 
показником заломлення (nв) та низьким (nн), де оптичні товщини крайніх шарів 
у два рази менші, ніж у центрального. 
Оптична товщина шару (означена як hk) розраховується як добуток 
показника заломлення (nk) на геометричну товщину шару (dk). Комбінуючи 
секції за певним принципом і погоджуючи їх між собою та з обмежуючими 
середовищами, можна створити покриття, що наближаються до заданих 
оптичних властивостей. Число та тип елементарних секцій вибираються 
залежно від конкретної задачі. Метод еквівалентних границь не лише 
допомагає у створенні нових покриттів, але також використовується для 
27 
 
вивчення впливу зміни товщини окремих шарів системи на її характеристики та 
вивчення взаємодії декількох багатошарових груп при їх комбінуванні на одній 
підложці. 
Аналітичні методи синтезу багатошарових непоглинаючих оптичних 
покриттів 
На сьогоднішній день, аналітична теорія синтезу найбільш розвинута для 
покриттів з фіксованою оптичною товщиною. Велика група аналітичних 
методів для синтезу систем з шарами рівної оптичної товщиною порівнює 
коефіцієнти ряду, що характеризує спектральні криві багатошарових покриттів, 
з коефіцієнтами рівняння, утвореного розкладанням заданої функції в ряд. 
Оригінальний метод синтезу непоглинаючих покриттів із шарами рівної 
оптичної товщини використовує тригонометричні суми (коефіцієнти яких 
залежать від показників заломлення шарів і обмежуючих середовищ), 
представляючи властивість покриттів щодо відбиття. Задана спектральна крива 
відображення апроксимується частковими рядами Фур’є. Шляхом порівняння 
коефіцієнтів відповідних тригонометричних сум і часткових рядів Фур’є 
створюють дві системи квадратичних рівнянь. Розв'язуючи ці системи, 
встановлюють показники заломлення шарів покриттів, які синтезуються. 
Зазвичай, аналітичні методи синтезу обмежуються дослідженням 
непоглинаючих покриттів, оскільки наявність поглинання значно ускладнює 
проблему. Існують свідоцтва про рішення деяких задач такого типу. 
Аналітичні методи синтезу можна умовно розділити на два основних 
напрямки: 
1. Варіювання показників заломлення шарів при фіксованій товщині. 
2. Оптимізація товщини плівок при заданих коефіцієнтах заломлення 
середовищ. 
Машинні методи синтезу багатошарових оптичних покриттів 
Машинні методи синтезу, що базуються на варіюванні товщини шарів 
покриття, представляють значний інтерес для практики. Зазвичай для 
вирішення цієї задачі використовують електронно-обчислювальні машини 
(ЕОМ). У випадку, коли одночасно з товщиною оптимізуються показники 
28 
 
заломлення шарів, їх значення обмежені областю реально існуючих показників 
заломлення. 
Машинні методи мають кілька особливостей. Однією з їхніх основних 
переваг є універсальність. Вони не потребують розв'язання складних 
нелінійних рівнянь, які виникають у аналітичній теорії синтезу. Машинні 
методи синтезу дозволяють вирішувати задачу відносно всіх оптичних 
характеристик покриттів. 
Однак основним недоліком машинних методів синтезу є те, що вони не 
завжди дозволяють виявити глобальний мінімум функції якості, не завжди 
гарантують знаходження задовільного рішення, і в той же час не дають 
можливості зробити висновок про його відсутність в розглянутому класі 
покриттів. 
Машинні методи вперше дозволили реалізувати оптимізацію товщини 
шарів інтерференційних покриттів, тоді як аналітичним методом цю важливу 
задачу до недавнього часу вирішити не вдавалося. Більшість описаних в 
літературі машинних методів можна класифікувати за двома напрямками: 
методи синтезу з використанням початкового наближення і методи синтезу без 
початкового наближення. 
 
1.5. Сучасні методи контролю товщини в процесі формування 
покриттів оптичного призначення 
На сьогоднішній день використовують два основні методи - 
радіочастотний і фотометричний, які є ефективними для контролю товщини 
покриттів у вакуумному процесі осадження. Вибір конкретного методу 
залежить від властивостей покриття та технічних можливостей контрольної 
системи. 
Радіочастотний метод контролю товщини шару базується на вимірюванні 
зміни частоти коливань кварцового кристала під час осадження на ньому плівки 
матеріалу. Зміна частоти коливань кварцового кристала є пропорційною зміні 
його маси. Таким чином, якщо відома маса осаджуваної плівки, її щільність і 
29 
 
площа, на яку вона осідає, товщину можна легко визначити. Однак 
припущення, що щільність плівки залишається постійною під час її росту, вірно 
для металевих плівок з товщиною більше 20–30 нм, а при менших товщинах 
щільність стає функцією товщини плівки. 
Вибір робочої частоти залежить від діапазону товщин вимірюваних 
плівок. Висока робоча частота використовується для вимірювання тонких 
плівок з високою чутливістю, тоді як низька робоча частота підходить для 
контролю осадження в широкому діапазоні товщин, що вимагає широкої 
лінійної залежності між зміною частоти і товщиною плівки. 
Чутливість методу визначається стабільністю частоти кварцового 
генератора і еталону частоти. Зазвичай чутливість кварцового резонатора 
становить Δm/Δf = 10 г/кГц. Прилади, які використовуються при робочій 
частоті 20 МГц, можуть визначати зміну частоти на 2 Гц, що дозволяє 
вимірювати приріст маси 10-10 г/см. Оскільки кристали кварцу чутливі до змін 
температури, і випаровування випаровувача видає значну кількість тепла, 
необхідно використовувати систему охолодження для датчиків. 
Діапазон вимірюваних товщин для серійних приладів знаходиться в 
межах від 10 до 10000 нм з точністю 10%. Також важливо враховувати 
відмінності між коефіцієнтом конденсації матеріалу плівки на зразку та 
кварцового кристала. 
Фотометричний метод контролю товщини шару базується на вимірюванні 
зміни коефіцієнта пропускання або відбиття при рості покриття. Цей метод 
надає можливість контролювати товщину та оптичні характеристики покриття. 
Принцип дії: 
Контроль коефіцієнта пропускання або відбиття - під час осадження 
тонкого покриття на поверхню, змінюється співвідношення пропускання або 
відбиття світла цим покриттям. Ця зміна може бути виміряна фотодетекторами. 
Множинні довжини хвиль - фотометричні методи можуть 
використовувати не лише одну довжину хвилі, але й кілька. Вимірюючи 
пропускання або відбиття на декількох довжинах хвиль, можна отримати 
більше інформації про товщину та оптичні властивості покриття. 
30 
 
Переваги фотометричних методів: 
- Однією з важливих переваг цього методу є можливість контролювати 
оптичні постійні шару, а не лише його товщину. 
- Фотометричні методи легко автоматизується для автоматичного 
завершення процесу осадження шару. Це особливо важливо при виробництві 
багатошарових покриттів або шарів, що осаджуються з великою швидкістю. 
- Вимірювання по нормалі до поверхні зразка забезпечує високу 
чутливість методу. 
- Фотометричні методи застосовуються для контролю товщини шарів, 
таких як напівпрозорі шари металів, і дозволяють відслідковувати зміну 
оптичних властивостей покриття під час його росту. 
- Автоматичний контроль може бути реалізований за допомогою системи, 
яка використовує два джерела випромінювання та два пари фотоприймачів для 
одночасного вимірювання коефіцієнтів пропускання і відбиття на різних 
довжинах хвиль. 
Фотометричні методи надають ефективний спосіб контролювати оптичні 
параметри шарів у вакуумному процесі осадження. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
31 
 
Висновки до розділу 1 
1. В даному розділі були розглянуті найбільш поширені оптичні 
покриття, які використовуються в наукових дослідженнях та промисловості, і 
приведено приклади їх застосування в різних сферах. 
2. Здійснено аналіз різних методів нанесення багатофункціональних 
покриттів. 
3. Встановлено, що електронно-променеве напилення є оптимальним 
методом для нанесення багатофункціональних покриттів. 
  
32 
 
Розділ 2 ТЕХНОЛОГІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ОТРИМАННЯ 
БАГАТОФУНКІОНАЛЬНИХ ПОКРИТТІВ 
 
2.1. Обладнання, що використовується у процесі виготовлення 
багатофункціональних покриттів 
 
Технологічна установка відноситься до пристроїв періодичної дії. Вибір 
цього типу вакуумних установок був обґрунтований тривалістю технологічного 
циклу, який включає етапи завантаження виробів, відкачування вакуумної 
камери (25 хв), попереднього іонного очищення (10 хв), нанесення покриттів і 
вивантаження готових виробів. Коротший час, необхідний для холостих і 
допоміжних операцій, у порівнянні з тривалістю процесу осадження покриття, 
свідчить про те, що немає потреби об'єднувати всі ці операції в один час, як це 
відбувається в установках безперервної дії, характеризуються значно вищою 
вартістю. 
Формування багатошарового покриття проводилося за допомогою 
установки вакуумного напилення ВУ-1А (рисунок 2.1). Зазначена установка 
була оснащена джерелом електронно-променевого випаровування УЕЛИ-I та 
комплексом фотометричного контролю товщини СФКТ-751В. Джерело УЕЛИ-I 
спеціально розроблене для випаровування тугоплавких оксидів, 
напівпровідникових матеріалів і металів. Воно працює при максимальній 
прискорюючій напрузі 12 кВ і максимальному струмі навантаження 500 мА. 
Зазначена установка призначена для нанесення покриттів на оптичні 
деталі шляхом резистивного та електронно-променевого випаровування 
діелектриків, напівпровідникових матеріалів і металів. Вона також включає 
одночасний контроль товщини нанесеного покриття. Вакуумне обладнання 
дозволяє виготовляти багатошарові ахроматичні покриття на оптичних деталях 
масового виробництва, а також металеві, одношарові просвітлюючі, 
інтерференційні дзеркальні, фільтруючі та інші для різних областей спектра. 
Обладнання для електронно-променевого напилення покриттів 
представляє собою технічно складні та високоефективні системи. Вони 
33 
 
призначені для неперервної експлуатації, здатні працювати протягом тривалого 
періоду, і часто використовуються протягом 10-15 годин та більше без перерв. 
Слідкування за процесом випаровування здійснюється через оглядову 
систему, розташовану на передній двері камери. Освітлення всередині камери 
забезпечується випромінюванням світла від поверхні матеріалу, який 
випаровується, нагрітого до високої температури електронним потоком. 
Для зменшення забруднення скла оглядової системи перед ним 
розташований обертаючийся диск, що активується рухом електромагнітного 
поля. Після установлення стабільного режиму випаровування оглядове вікно 
автоматично закривається захисним екраном. Цей екран відкривається лише 
для періодичного контролю процесу. Це дозволяє значно продовжити термін 
експлуатації оглядового скла, уникаючи його очищення від конденсату. 
Установку можна використовувати в закритих і сухих приміщеннях 
промислових об'єктів, що відповідають категорії 4.2 згідно з ГОСТ 15150-69, за 
таких кліматичних умов: 
- температура оточуючого середовища від 17 °C до 27 °C; 
- відносна вологість у діапазоні від 40% до 75%;  
-  атмосферний тиск в межах від 8,4 * 104 до 10,6 * 104 Па (630-780 
мм.рт.ст.). 
Компоненти установки включають: 
 відкачувальний блок (з високовакуумними насосами, вакуумною 
системою і пневмогідравлічним обладнанням); 
 форвакуумний агрегат; 
 електрообладнання (з двома консолями управління - для керування 
вакуумною системою та технологічними параметрами). 
 
34 
 
 
 
Рисунок 2.1 Електронно-променева установка ВУ-1АМ  
 
 
Рисунок 2.2 Принципова схема оснащення  вакуумної камери електронно-
променевої установки ВУ-АМ (а): 1-електронно-променева гармата; 2-вузол 
електромагнітного пучка на 900; 3-потік електронів; 4-потік пари; 5- 
водоохолоджуємий тигель; 6-заслонка; 7- підложкотримач; 8-нагрівні елементи; 
9-система створення вакууму. Внутрішній вигляд вакуумної камери 
електронно-променевої установки ВУ-1АМ (б) 
 
 
35 
 
Таблиця 2.1 Технічні характеристики вакуумного обладнання ВУ-
1АМ[29] 
Тиск в камері при одночасному нагріванні її до 320С і при 4·10-4 
охолодженні всіх пасток рідким азотом, Па 
Час досягнення тиску 4.10-4Па, хв , не більше 30 
Кількість резистивних випарників, шт. 2 
Кількість електронно-променевих випарників, шт. 1 
Вмістимість деталей розмірами, шт.  
діаметром 40 мм 70 
діаметром 70 мм 6 
Напруга джерела живлення тліючого розряду іонної очистки від 2175± 20% 
на холостому ході, В до 4350± 20% 
Максимальний струм тліючого розряду іонної очистки А, не 0,4 
більше 
Максимально припустимий струм резистивного випарника 300 
при напрузі на трансформаторах А, не більше12В 
150 
Максимальний струм електронно-променевого випарника, мА 480±20 
Потужність , яка споживається установкою, кВт, не більше 20 
Маса установки, кг, не більше 1900 
Площа, займана установкою, м2, не більше 6 
36 
 
 
Рисунок 2.3 Структурна схема електронно-променевої вакуумної установки 
для нанесення покриттів: 1 – вакуумна камера; 2 – високовакуумний насос;  
3 – вакуумметр; 4 – форвакуумний насос; 5 – нагрівач; 6 – високовакуумний 
клапан; 7 – клапан відкачки вакуумної камери; 8 – клапан відкачки насосу;   
9– напускний клапан. 
 
Після підготовки вакуумної установки до роботи, всередині камери 1 
спочатку створюється попередній низький вакуум приблизно 10 мм рт.ст. З 
цією метою активується форвакуумний насос (4), відчиняється вентиль (7), а 
рівень вакууму регулюється термопарним вакуумметром (3). Після досягнення 
необхідного рівня попереднього вакууму Р = 2 х 10-2 мм рт.ст., вмикається 
високовакуумний паромасляний дифузійний насос (2). Тиск у системі 
знижується до високого вакууму приблизно 10-6 мм рт.ст. Рівень високого 
вакууму контролюється іонізаційним вакуумметром (3), при цьому 
форвакуумний насос продовжує працювати. Після досягнення необхідного 
робочого вакууму (5 х 10-6 мм рт.ст.) можна розпочати процес напилювання. 
Рівень досягнутого вакууму контролюється за допомогою вакуумметра, який 
включає термопарний вакуумметр (для низького вакууму) і іонізаційний 
вакуумметр (для високого вакууму). 
Вакуумна установка ВУ-1АМ представляє собою однокамерний апарат 
періодичної дії, оснащений внутрішнім камерним пристроєм у вигляді каруселі. 
У кожній з восьми позицій каруселі можна встановити підложку з трафаретом 
або без нього. Також передбачена можливість підігріву всіх підложок під час 
37 
 
обертання каруселі за допомогою відбивного нагрівача. У нижній частині 
робочого об'єму закріплені 6 пар струмовідводів, на яких можуть бути 
встановлені випарники, при цьому кожна пара струмовідводів відокремлена 
секторальними екранами. 
Система підковзантного пристрою робочого об'єму установки ВУ-1АМ 
дозволяє проводити фінішне іонне очищення підложок, використовуючи 
відповідні електроди і порушуючи тліючий розряд. Після очищення можна 
виконувати напилення плівок. 
Контроль товщини здійснюється за спектральними коефіцієнтами 
пропускання (відбиття), використовуючи центральні (контрольні) або бічні 
(робочі) зразки, які знаходяться на відстані 60 ÷ 150 мм від центру. 
У робочій камері розташовано наступне технологічне обладнання: 
Водоохолоджений мідний тигель діаметром робочої частини 85 мм, в 
якому під час отримання покриттів розташовується вольфрамовий злиток-
посередник із таблеткою для випару, яка розміщена на його поверхні. Тигель 
розташований на мідній водоохолоджуваній плиті. 
Підложки з розташованими зразками із вбудованими термопарами, які 
служать для вимірювання температури підложки в процесі отримання 
покриттів. 
Тигель використовується для випаровування таблеток, що містять 
тугоплавкі елементи. Виготовлений з міді з високоефективною системою 
водяного охолодження, тигель забезпечує інтенсивне охолодження за рахунок 
високої швидкості потоку холодної води та постійної зміни напрямку її руху. 
Це високоефективне охолодження дозволяє розплавляти й випаровувати 
тугоплавкі елементи без руйнування самого тигля. У тиглі розміщено 
вольфрамовий злиток, на якому розташовані карбідні суміші у вигляді 
спресованих таблеток, готових для випару. 
Стінки робочої камери обладнані двома рядами екранів для захисту від 
теплового випромінювання, причому один із них є водоохолоджуваним. 
Використання водоохолоджуваних екранів обумовлено високим тепловим 
потоком, що виникає від нагрітої поверхні вольфрамового злитка, який має 
38 
 
високу випромінювальну здатність. Неводоохолоджувані екрани виготовлені з 
листової сталі, їх легко можна демонтувати та очищати від конденсованого 
матеріалу. 
Оглядове вікно дозволяє спостерігати за процесом випаровування та 
забезпечує рівномірне нагрівання підложки. Вікно також охолоджується за 
допомогою води. З метою захисту спостерігача від світлового потоку воно 
обладнане стробоскопом та має свинцеве скло для запобігання проникненню 
іонізуючого випромінювання. 
Установка ВУ-1АМ оснащена заслінкою, виготовленою з тугоплавкого 
матеріалу, яка не потребує водоохолодження. Ця заслінка призначена для 
захисту зразків від парового потоку під час передварительного прогріву 
таблетки та вольфрамового злитка. Після завершення передварительного 
прогріву, при відносно низькій потужності випарної гармати, заслінка 
автоматично відкривається, і паровий потік осаджується на попередньо нагріту 
до заданої температури підложку. 
Температура підложки підтримується на постійному рівні протягом 
всього процесу і контролюється за допомогою термопари хромель-капель. 
Зазначено, що термопара ізольована від парового потоку, що забезпечує 
надійний контроль та вимірювання температури без його впливу на сам процес. 
Електронно-променевий випарник 
Для випаровування великої кількості різноманітних тугоплавких 
матеріалів, оксидів та діелектриків, широко застосовують електронно-
променеві випарники. Принцип їхньої роботи полягає у використанні енергії 
сфокусованого пучка прискорених електронів для нагріву матеріалу, який потім 
випаровується. 
Електронно-променевий випарник складається з трьох основних 
компонентів: 
1. Джерело електронів - електронна гармата, яка представляє собою 
діодну систему. Вона включає катод 1, закріплений у тримачі з клемами 2, 
пролітний анод 3, знаходячись під потенціалом землі, та електрод фокусування 
4. Катод може мати форму спіралі з п'ятьма витками вольфрамового дроту 
39 
 
діаметром 0,6 мм. На накалювальний катод подається висока негативна 
напруга, яка складає 6 кВ або 12 кВ. 
2. Система відхилення, повороту і фокусування: включає 
електромагнітні та електростатичні елементи, які відповідають за відхилення, 
поворот та фокусування електронного пучка. 
3. Тигель - водоохолоджуваний тигель, в якому розташовується 
матеріал, що випаровується. 
 
Рисунок 2.4 Електронно-променевий випарник для УЕЛИ-1 
 
Процес випаровування відбувається завдяки впливу енергії електронного 
пучка на випаровуваний матеріал у тиглі. 
Система регулювання повороту, відхилення та електромагнітного 
фокусування електронного пучка включає дві електромагнітні призми. Перша 
призма (призма 5) забезпечує поворот електронного пучка, утвореного 
електронною гарматою, на кут, що досягає 180˚, направляючи його в тигель з 
випаровуваним матеріалом. Призма 6, яка є другою призмою, забезпечує 
переміщення пучка в перпендикулярному напрямку в межах ± 15 мм. 
Оптимальне взаємне розташування тигля і джерела електронів забезпечує 
підтримання задовільних вакуумних умов в електронній гарматі під час 
інтенсивного випаровування. Для охолодження тигля (8) безперервно циркулює 
40 
 
вода через патрубки (7). Розмір сфокусованої плями може бути регульований 
зміною положення катода від 5 до 8 мм² до 300 мм². Мінімальний розмір плями 
використовується для випаровування тугоплавких оксидів (SiO2, TiO2, ZrO2, 
Y2O3 і ін.) при температурах понад 1500 °C, тоді як максимальний розмір 
застосовується для випаровування матеріалів при температурах від 400 до 
700°C (Ti, PbTe, PbF2 і ін.). 
Електронно-променеві випарники виготовляють у різних варіантах 
конструкції, таких як з лінійним, кільцевим (з аксіальними гарматами) або 
порожнистим (з газорозрядними гарматами) катодом. Незалежно від 
модифікації, всі вони мають функціональні елементи, такі як джерело 
електронів з прискорюючим анодом, система відхилення електронного пучка та 
система його фокусування. Сформований електронний пучок направлений в 
тигель із розплавленою речовиною. 
Орієнтація електронного пучка в тигель може бути реалізована кількома 
способами: без відхилення, з відхиленням на кут 45, 90, 180 і 270 градусів. 
Варто відзначити, що використання гармат із зсунутим пучком електронів 
дозволяє вирішувати більший спектр технологічних завдань, але при цьому 
ефективність пучка зменшується. Із збільшенням кута відхилення зростає 
розсіювання електронів і потрібна більша потужність. 
Системи відхилення і фокусування можуть бути реалізовані у трьох 
основних варіантах: електростатичні, електромагнітні і на постійних магнітах. 
Серед них найбільш поширені електромагнітні системи. 
Система повороту і відхилення електронного пучка вздовж осі "X" 
використовується для направлення електронного пучка в тигель (з поворотом 
на кут 270°) і переміщення його по поверхні матеріалу, який випаровується. Ця 
система включає електромагнітну котушку з сердечником і полюсними 
башмаками, які закріплені на мідному водоохолоджуваному корпусі за 
допомогою гвинтів. Котушка розташована всередині водоохолоджувального 
корпусу, що герметично закрита за допомогою фланцевих з'єднань і 
герметичної гумової прокладки, закріпленої гвинтами. 
41 
 
Система відхилення електронного пучка вздовж осі "Y" включає 
електромагнітну котушку, розташовану в мідному корпусі, який складається з 
двох частин із сердечниками та полюсними черевиками. З боку котушки 
розташований роз'єм, аналогічний за конструкцією до котушки вздовж осі "X". 
Електронно-променеве випаровування має свої переваги, передусім тим, 
що це єдиний метод, за якого енергія подається безпосередньо на поверхню, де 
утворюється потік пари. Цей метод дозволяє досягти високої поверхневої 
густини енергії, завдяки чому можна реалізувати високі швидкості 
випаровування різноманітних матеріалів, включаючи тугоплавкі метали, 
оксиди та інші сполуки [6,7]. 
Технічні характеристики: 
- кут повороту променя - 270 °; 
- максимальна потужність - 9 кВт; 
- вихідна напруга регульована до 9 кВ; 
- дві робочі ступені 6 та 9 кВ; 
- вихідний струм 0 ... 1000 мА; 
- пульсація вихідної напруги 1%; 
- точність стабілізації вихідної напруги 1%; 
- вихідний струм блоку напруження до 40 А; 
- вихідна напруга блоку напруження до 10 В змінного струму; 
- точність позиціонування тигля - не більше 1 °; 
- обсяг однопозиційного тигля електронно-променевого випарника - до 
135 см3; 
- обсяг позиції шестипозиційного тигля електронно-променевого 
випарника - до 9 см3. 
42 
 
 
Рисунок 2.5 Схематичне зображення процесу електронно-променевого 
напилення 
 
2.2 Контроль товщини покриттів в процесі напилення 
 
Система включає в себе освітлювач та оптичні елементи, які формують 
світловий пучок. Монохроматор функціонує у діапазоні від 0,22 до 0,8 мкм і 
дозволяє заміну дифракційної решітки для операцій в інших спектральних 
діапазонах. 
Основні компоненти системи також включають приймальний та 
реєструючий блоки. 
Контроль товщини виконується за допомогою спектральних коефіцієнтів 
пропускання (відбиття). Для цього використовуються центральні (контрольні) 
або бічні (робочі) зразки, розташовані на відстані від центру від 60 до 150 мм. 
43 
 
 
Рисунок 2.6 Cхематичне зображення вакуумної установки ВУ-1МА з 
комплексом СФКТ-751В: 1 - промінь електронний; 2 - потік речовини, що 
розпилюється; 3 – вакуумний обєм; 4 - основа; 5 – підложкотримач, що 
обертається; 6.1 – лампа для розжарювання, що працює "на просвіт"; 6.2 - лампа 
для розжарювання, що працює "на відображення"; 7 - дзеркала плоскі; 8 - 
зразок-свідок; 9 - вольтметр цифровий; 10 - осцилограф; 11 - підсилювач 
електронний; 12 - підсилювач фото-електронний; 13 - монохроматор; А - анод 
(тигель з речовиною); К – катод.  
 
Покриття наносять на підложки випаровуючи матеріали з мішеней, що 
розташовані в аноді електронно-променевого випарника, в вакуумі при цьому 
процесі залишковий тиск складає 7 • 10-3 Па.  
Розпилення мішеней з різноманітних матеріалів відбувається в єдиному 
технологічному циклі, використовуючи відхилення електронного променя 1 з 
катода і його фокусування на іншій мішені за допомогою магнітного поля. Під 
час випаровування розпилені матеріали також осідають на зразку-свідку 4, який 
використовується для фотометричного контролю товщин напилених шарів [18]. 
44 
 
 Контроль товщини шару може бути здійснений за допомогою сигналу 
фотометричної системи в точках екстремуму, що дозволяє визначити оптичну 
товщину шару. Для цього потрібно знати довжину випромінювання λ0, на якій 
проводиться фотометрирування, і підрахувати кількість екстремумів. Оптична 
товщина шару обчислюється за відповідною формулою. 

D  m 0
4                                                              (2.1) 
де m - кількість екстремумів. 
Швидкість напилювання плівки можна оцінити за часом, який потрібен 
для напилення шару з товщиною, що відповідає відстані між двома сусідніми 
екстремумами. Проте, необхідно враховувати, що в області точки екстремуму, 
при умові постійної швидкості осадження шару, зміна сигналу може бути 
невеликою. Це може призвести до значних похибок у вимірюванні товщини 
шару.. Наприклад, при осадженні чвертьхвильового шару селеніду цинку на 
скляний зразок із помилкою фотометричної системи в 1%, похибка може 
досягати 17%. Для підвищення точності вимірювань можна збільшити кількість 
екстремумів при фіксованій товщині шару, що досягається за рахунок 
зменшення реперної довжини хвилі λ₀ [6, 20].  
З урахуванням значень оптичних констант контрольного зразка і 
осадженого шару на довжині контролю λ₀, для кожного шару розраховується 
зміна інтенсивності відбитого випромінювання в залежності від зміни товщини 
плівки. Під час реального напилення, враховуючи попередньо розрахований 
характер зміни інтенсивності відбитого випромінювання, може бути визначена 
товщина осадженого шару, навіть якщо його оптична товщина не дорівнює 
λ₀/4. Це дозволяє контролювати товщину шару в реальному часі під час 
процесу напилення. 
Таким чином, при використанні описаного методу вимірювання товщини 
плівки на контрольному зразку, слід враховувати, що це може призвести до 
відхилень від фактичної товщини плівки на підложці через діаграму 
спрямованості випарника. Для точного контролю товщини на підложці може 
45 
 
бути необхідне введення корекцій, які враховують ці відмінності в діаграмі 
спрямованості. [7, 8]. 
Так, оптичні властивості тонких плівок, отриманих різними 
технологічними методами, можуть значно відрізнятися через різницю у 
вихідних матеріалах та умовах їх виготовлення. Оптичні характеристики плівок 
зазвичай включають в себе: 
1. Показник заломлення (n) - це величина, яка вказує, на якому рівні 
світло сповільнюється, рухаючись через плівку. Показник заломлення може 
змінюватися в залежності від довжини хвилі світла (спектральна залежність). 
2. Показник поглинання (k) – це параметр, який вказує, як швидко 
світло поглинається в плівці. Чим вище значення k, тим сильніше 
поглиблюється світло. 
3. Спектральна залежність - визначення того, як показники 
заломлення та поглиблення залежать від довжини хвилі світла. 
4. Прозорість та відбивання - це характеристики, що визначають, яка 
частина світла пропускається через плівку, а яка відбивається. 
5. Товщина плівки, визначення товщини тонкої плівки, яка може 
впливати на її оптичні властивості. 
Інженери та дослідники повинні вивчати ці параметри, щоб підлаштувати 
технологічні процеси та отримати бажані оптичні характеристики для 
конкретних застосувань. 
 
2.3 Методи розрахунку багатошарового покриття 
 
Розгляд багаторазового відбиття інтерферуючих променів у 
багатошарових системах є складним завданням, і для розв’язку даного питання 
використовуються різні методи та формули. Давайте розглянемо два основні 
аспекти, що виникають при аналізі багатошарових інтерференційних 
систем[21-30]: 
Визначення Коефіцієнтів Відбиття та Пропускання: 
46 
 
Коефіцієнт відбиття (R) для кожного інтерфейсу між шарами можна 
обчислити використовуючи формулу Френеля, яка залежить від показників 
заломлення обох середовищ (верхнього та нижнього шарів). 
Коефіцієнт Пропускання (T) також можна визначити за допомогою 
формули Френеля, що враховує показники заломлення. 
При багаторазовому відбитті важливо врахувати внесок кожного відбиття 
в загальний внесок системи. Для цього часто використовують матричний метод 
передачі (matrix transfer method) або метод рекурентних рівнянь. 
Для системи з N шарами кожен шар характеризується своїми оптичними 
властивостями (товщина, показник заломлення). Загальна матриця передачі 
обчислюється шляхом перемноження матриць передачі для кожного окремого 
шару. З цієї матриці можна отримати необхідні оптичні параметри системи, такі 
як коефіцієнти відбиття та пропускання. 
Ці розрахунки можуть бути виконані за допомогою програм для 
моделювання оптичних систем або за допомогою програмування відповідних 
алгоритмів. 
Розрахунки інтерференції світла в багатошарових системах можуть бути 
складним завданням, і використання різних методів має свої переваги та 
обмеження. 
Введення поняття імпедансу для опису поширення електромагнітних 
хвиль в шаруватих середовищах є зручним підходом. Воно дозволяє 
використовувати матричні методи для розрахунків, особливо при використанні 
електронних обчислювальних машин (ЕОМ). Проте, як ви зазначили, цей метод 
може бути не зручним для систем з шарами нерівної оптичної товщини. 
Одним із альтернативних методів є метод розширення матриць (Matrix 
Transfer Method), який є універсальним і ефективним для розрахунків 
багатошарових систем. Цей метод дозволяє враховувати нерівні товщини шарів 
та розглядати системи з різними показниками заломлення для кожного шару. З 
його допомогою можна моделювати різноманітні оптичні системи, такі як 
діелектричні дзеркала, інтерференційні фільтри тощо. 
47 
 
Крім того, для багатошарових систем часто використовують метод 
розрахунку інтерференції на основі теорії Максвелла, де розглядаються хвилі в 
кожному шарі та їх взаємодія на межах шарів. 
Вибір конкретного методу залежить від складності системи, точності 
розрахунків та зручності в їх використанні для конкретного випадку. 
Так, класичний метод підсумовування багаторазово відбитих променів є 
ефективним та наочним підходом для розрахунку взаємодії світла з 
багатошаровими системами тонких плівок. Основна ідея полягає в 
рекурентному розрахунку відбиття та пропускання на кожному інтерфейсі 
шару, починаючи з нижнього шару, що прилягає до підкладки. 
Процес розрахунку можна уявити наступним чином: 
1. Починаємо з нижнього шару, що прилягає до підкладки. 
Розраховуємо коефіцієнти відбиття та пропускання для цього інтерфейсу. 
2. Переходимо до наступного шару, розраховуючи коефіцієнти 
відбиття та пропускання на інтерфейсі між попереднім та поточним шарами. 
Використовуємо рекурсію для обчислення загального коефіцієнта відбиття та 
пропускання для системи, що включає всі попередні шари. 
3. Повторюємо цей процес для кожного шару, піднімаючись від 
нижнього до верхнього. 
Цей метод дозволяє ефективно обчислювати відбиття та пропускання в 
багатошарових системах. Важливо враховувати фазові зрушення, які 
виникають від кожного інтерфейсу. Однак він може бути менш ефективним для 
систем, де важливо враховувати поглиблення світла в матеріалах. 
Такий метод є основою для розуміння та розрахунку оптичних 
властивостей багатошарових покриттів. 
Розрахунок коефіцієнтів Френеля проводиться як для звичайної 
одношарової плівки, що перебуває між двома середовищами іншого показника 
заломлення. Потім поверхня з плівкою замінюється деякою ефективною 
поверхнею, яка характеризується розрахованими коефіцієнтами r13 і δ13, що 
грають роль коефіцієнтів Френеля r12 та δ12 для однієї поверхні розділу. Цей 
прийом повторюється доти, доки не буде доданий останній шар 
48 
 
багатошарового покриття. Так, наприклад, двошарова плівка між двома 
напівнескінченними середовищами з показниками заломлення n1 і n4 остаточно 
буде мати всього дві межі розділу n1/n3і n3/n4, замість трьох n1/n2, n2/n3 і n3/n4. 
Характеризуючи першу поверхню розділу 
коефіцієнтом r13, маємо за аналогією  коефіцієнт r14 системи: 
  
4n h
r13  r 3 3
34 cos
 (2.2)                                   
r14  4n h
1 r13r34 cos 3 3

 
Схема багатошарової системи з (m - 2) шарів між двома 
напівнескінченними середовищами з показниками заломлення n1 і nmприведена 
на рис. 2.7. 
 
 
 
 
Рис. 2.7 Відбиття світла від прозорої підкладки з багатошарової плівкою 
 
49 
 
Шари мають показники заломлення від n2 до nm-1. Передбачається, що 
шари плоскопаралельні, однорідні, ізотропні, їх геометричні товщини 
відповідно рівні h2, . . .hm-1. 
Подальше збільшення числа шарів приводить до виведення аналогічних 
(2.1) співвідношень і дозволяє ввести поняття узагальнених коефіцієнтів 
Френеля rkm для будь-якого числа шарів. Аналогічно, ввівши узагальнене 
значення коефіцієнтів пропускання δkm, можна послідовно розраховувати 
коефіцієнт пропускання для одного, двох і більшого числа шарів даних схем. 
Розрахунок коефіцієнта відбиття R багатошарової системи рис.2.7 в 
загальному вигляді дають такі формули [10, 11]: 
 
 
r2 2
k,k+1 + rk+1,m + 2r
2 k,k+1rk+1,m cos α
Rkm = rkm =       (2.3) 
1 + r2 2
k,k+1 + rk+1,m + 2rk,k+1rk+1,m cos β
де
4πn h
α = −Δk,k+1 + Δ k+1 k+1
k+1,m −
λ
4πn h
β = Δ + Δ − k+1 k+1
k,k+1 k+1,m λ
 
�� 2
��+1,��(1 − �� ��,��+1) sin ��
���������� =
�� 2 (2.4) 
2
��,��+1(1 + ����+1,��) ������ ����,��+1 + ����+1,��(1 + �� ��,��+1) ������ ��
 
де
4n
    k1hk1  
k1,m
     
 
Формули відносяться до випадку падіння світла по нормалі до поверхні.  
При розрахунку по наведених формулах треба користуватися 
абсолютними значеннями |rkl|, що визначаються виразом: 
50 
 
r  r
r k l
kl              (2.5) 
r  r
      k l
Фази в межах від 0 до 2π повинні бути відомі з урахуванням заданої 
товщини шарів. Знаки tg∆km відповідають знакам чисельника і знаменника, 
тобто знакам sin∆km і cos∆km, від чого залежить положення тангенса в тій чи 
іншій чверті кола.  
Розрахунок багатошарового покриття рекурентним методом з 
послідовним додаванням нових шарів рекомендується починати з боку 
підкладки (nm) і користуватися схемою рис.2.6. В залежності від значень 
показників заломлення n1, . . ., nm насамперед визначаються величини Δkl для 
всіх меж розділу, враховуючи, що світло падає з верхнього середовища n1. 
4n h
Після цього оптичні товщини шарів виражаються фазовими кутами k1 k1  в 

градусах для ряду довжин хвиль розглянутої спектральній області [15]. 
При розрахунку одношарової плівки ми розглядали три дотичних 
середовища (m=3), дві межі розподілу n1/n2 та n2/n3 зі зміщенням фаз ∆12 та ∆23 
при k=1. 
Як приклад розглянемо розрахунок коефіцієнта відбиття R15 на кордоні 
двох середовищ n1 і n5, розділених тришарової плівкою. Розрахунок слід 
проводити за формулами (2.2) і (2.3), поклавши m = 5 і беручи значення для k, 
рівні 3, 2, 1. Розрахунок починається з двох нижніх меж розділу n4/n5 та n3/n4, 
звідки визначається r35. Додаючи ще один шар, робимо розрахунок величини r25 
і, нарешті, коефіцієнта відбиття r15 = R. Нижче наведені формули такого 
розрахунку: 
��2 �� ℎ
31 + 2��2
45 + 2�� 4 4
31��45 cos (−∆34 + ∆45 − 4�� )
��2 = ��
35              (2.6) 
�� ℎ
1 + ��2
34��2
45 + ��2
34��2
45 cos (∆34 + ∆ 4 4
45 − 4�� )
��
 
 
51 
 
�� ℎ
�� (1 + ��2 ) sin (∆ − 4�� 4 4
45 34 45 )
tg ∆ = ��
35          (2.7) 
�� ℎ
�� 2
31(1 + ��45) cos ∆34 (1 − ��2
34) cos (∆45 − 4�� 4 4)
��
 
 
�� ℎ
��2
23 + 2��2
35 + 2��35�� cos (−∆ + ∆ − 4�� 3 3
35 23 35 )
��2
25 = ��            (2.8) 
1 + ��2 ��2 2 2 �� ℎ
23 35 + ��23��35 cos (∆23 + ∆35 − 4�� 3 3)
��
 
�� ℎ
��35(1 − ��2
23) sin (∆35 − 4�� 3 3)
tg ∆25 = ��        (2.9) 
2 �� ℎ
�� (1 + �� ) cos ∆ (1 − ��2 ) cos (∆ − 4�� 3 3
23 35 23 23 35 )
��
 
 
2 2 ��
�� 2ℎ2
12 + 2��25 + 2��12��25 cos (−∆12 + ∆25 − 4�� )
�� = ��2 = ��
15        (2.10) 
1 + ��2 ��2 + ��2 ��
��2 cos (∆ + ∆ − 4�� 2ℎ2
12 25 12 25 12 25 )
��
 
Аналіз рівнянь (2.3), (2.4) та рівнянь (2.7), (2.8), (2.9), (2.10) показує, що 
для розрахунку відбиття світла від поверхні з тришаровою плівкою складається 
п'ять рівнянь: з 11-шарової - 21 рівняння, тобто число необхідних рівнянь 
швидко зростає з кількістю шарів. 
При визначенні спектральних значень коефіцієнта відбиття потрібно 
проводити розрахунок для ряду довжин хвиль (λ - змінна), число яких 
доводиться збільшувати по мірі зростання числа шарів, так як форма 
спектральної кривої ускладнюється. 
В даний час розрахунки значною мірою поліпшуються завдяки 
застосуванню ЕОМ. Є розроблені програми, складені з використанням як 
матричних методів розрахунку, так і рекурентних формул, аналогічних 
наведеним (2.2) і (2.4). 
52 
 
2.4. Спектрофотометр СФ-26-10  
Спектрофотометр СФ-26-10 призначений для вимірювання коефіцієнтів 
пропускання твердих плоских малоселективних зразків у різних областях 
спектру: ультрафіолетовій, видимій і ближній інфрачервоній. 
Принцип дії приладу полягає в вимірюванні коефіцієнта пропускання (Т) 
експериментального зразка. Цей коефіцієнт розраховується як відношення 
інтенсивності світла, яке пройшло через експериментальний зразок (У), до 
інтенсивності світла, яке падає на зразок (У0), і виражається формулою: 
 
У
Т  100%     (2.11) 
У0
В процесі вимірювання використовується монохроматичний потік 
випромінювання, який по черзі проходить через вільне вікно тримача 
світлофільтрів і експериментальний зразок. Вимірюється інтенсивність світла, 
яке проходить через зразок, і величина коефіцієнта пропускання відображається 
на шкалі від 0% до 100%. 
Для вимірювання коефіцієнта відбиття непрозорих оптичних деталей, 
використовується додатковий пристрій – підставка з призмою для направлення 
потоку випромінювання на експериментальний зразок. 
Отже, спектрофотометр СФ-26-10 є інструментом, призначеним для 
точного вимірювання оптичних властивостей різних матеріалів у різних 
областях спектру  
53 
 
                          
 
      Рисунок 2.8 Підставка для вимірювання коефіцієнту відбиття 
 
Дана підставка для спектрофотометра базується на використанні призми 
для направлення світла на еталонний або експериментальний зразок. Принцип 
дії полягає в тому, що світло з вхідної щілини потрапляє на грань призми, 
відбивається на зразку, а потім проходить через іншу грань призми і потрапляє 
на вихідну щілину. Кут падіння світла на деталь не повинен перевищувати 16° 
для забезпечення точності вимірювань. 
Грані призми покриті плівкою з алюмінію, яка служить для відбиття 
світла без значних втрат. Це дозволяє порівнювати потужність відбитого світла 
від еталону (з відомим коефіцієнтом відбиття) з потужністю світла, відбитого 
експериментальним зразком (свідком). 
54 
 
Висновки до розділу 2 
У розділі 2 розглянута  вакуумна технологічна установка ВУ-1АМ , яка 
використовується для нанесення багатофункціональних покриттів за 
допомогою електронно-променевого випаровування у вакуумі. Також 
розглянуто принцип роботи даної установки. Розглянуто методи розрахунку 
багатошарового покриття 
.  
55 
 
РОЗДІЛ 3. ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА 
Розрахунок і нанесення багатофункціональних покриттів — одна з 
найскладніших задач оптики. Як правило, досягти повного просвітлення в усі 
діапазоні довжин хвиль видимого світла не вдається, тому домагаються 
максимального просвітлення, наприклад, тільки в зеленому, там, де 
максимальна чутливість ока, або десь ще (наприклад, на довжинах хвиль, що 
відповідають максимуму спектральної чутливості датчика зображення камери).  
 
3.1. Проектування оптичних покриттів 
 
Для вирішення поставленої задачі розглянемо наступні етапи: побудова 
цифрової моделі для розрахунку спектрального коефіцієнту для об'єкта, який 
піддається дослідженню. 
Створення фізичної моделі в COMSOL включає в себе кілька кроків: 
1. Вибір розділу в навігаторі моделей, де буде вирішуватись задача. 
2. Налаштування властивостей матеріалів, що формують плівку ( 
рисунок 3.1). 
3. Проектування геометрії моделі, з дотриманням геометричних 
розмірів, які відображені на рис. 3.1. 
Встановлення фізичних властивостей об’єкта моделювання та початкових 
умов задачі. Для об’єкту обробки було введено фізичні властивості оптичного 
скла К8, для плівок – фізичні властивості.  
  
56 
 
 
 
Рисунок 3.1 Побудова геометрії моделі в пакеті COMSOL 
Розгортання об'єкта на скінченні елементи. Пакет COMSOL надає можливість 
автоматично розбивати об'єкти на елементи. Користувач, обираючи початкові 
параметри для сітки, може контролювати цей процес відповідно до необхідної 
точності обчислень. 
 
Рисунок 3.2 Початкові матеріали для розрахунку 
Вирішення задачі. Перед початком вирішення задачі важливо встановити 
параметри розв'язку та вибрати один із розв'язуючих пристроїв, які 
реалізовані в пакеті COMSOL.розбиття об’єкта показано на рисунок 3.3.  
Обробка отриманих даних - це важливий етап, для якого у пакеті COMSOL 
існує потужний набір інструментів для візуалізації результатів розв'язання 
фізичних задач. 
57 
 
 
Рисунок 3.3 Зображення моделі в режимі розбиття на кінцеві елементи 
 
Рисунок 3.4 Результати розрахунку просвітлюючого покриття на довжину 
хвилі 550нм 
58 
 
 
Рисунок 3.5 Результати розрахунку багатофункціонального покриття на 
довжину хвилі 550нм 
 
Для вибраних матеріалів з типовими показниками заломлення шарів була 
сконструювала  теоретична крива відбиття. У програмі було введено вихідні 
дані, такі як кількість шарів, речовин та дисперсійних точок, порядок нанесення 
шарів, геометричну товщину кожного з них та показники заломлення речовин в 
залежності від довжини хвилі. 
В результаті здійсненого моделювання багатофункціонального покриття 
було виявлено, що оптимізація конструкції базового покриття не призводить до 
погіршення властивостей. Таким чином, цю структуру багатошарового 
покриття можна використовувати як основу для створення 
багатофункціональних покриттів. 
  
59 
 
3.2 Визначення гідрофобних властивостей багатофункціональних 
покриттів 
 
Гідрофобні покриття покращують мікроструктури поверхні і зменшують 
поверхневий натяг. Форма краплі води на різних поверхнях визначається їхніми 
властивостями. На поверхнях, що змочуються, крапля розпливається, тоді як на 
гідрофобних поверхнях вона не розтікається, зменшуючи площу контакту між 
водою і поверхнею. Гідрофобні характеристики поверхні виражаються кутом 
змочування, який визначається як кут між поверхнею лінзи і краплею в місці 
їхнього контакту. Збільшення кута змочування вказує на меншу змочуваність 
поверхні, що ускладнює розпливання краплі на ній. Також важливо зазначити, 
що на гідрофобних поверхнях вода легше утримується в краплях, сприяючи 
конденсації вологи. Такий вид поверхні набагато легше очищується від 
сконденсованої на них воді при різких перепадах температури 
Гідрофобні поверхні володіють також очищуючим ефектом. Якщо 
поверхневий натяг покриття високий, то вода розпливається по поверхні (кут 
змочування маленький). Якщо поверхневий натяг покриття низький, то вода 
збирається в краплю (кут змочування великий) і стягує на себе частки 
забруднень. Таку краплю легко видалити з поверхні покриття разом із 
забрудненнями. Таким чином, головною метою при застосуванні гідрофобного 
покриття є зменшення поверхневого натягу, що призводить до збільшення кута 
змочування. 
На звичайне просвітлюючи покриття та на поверхню з 
багатофункціональним покриттяя за допомогою дозатора рідини наносилась 
крапля дистильованої води. Об’єм краплі V в дозаторі 2мкл=2мм3 . Якщо крапля 
достатньо мала то викривлення її форми внаслідок дії сили її гравітації не 
враховується, якщо поверхня достатньо рівномірна, крапля має круглу форму, а 
потім формує сегмент сферичної форми на поверхні зразку з визначеним 
крайовим кутом змочування між поверхнею сфери і поверхнею зразка 
60 
 
При вимірюванні величини краплі крайовий кут змочування можна 
визначити з розміру краплі і відомого об’єму. Сегмент сфери з радіусом R має 
радіус сегмента a і висоту h,і об’єм. 
V  h(3a2  h2 ) / 6  h2 (Rh \ 3)                                                         (3.1) 
А крайовий кут змочування  
  arcsin( a / R)                                                                                        (3.2) 
  
Рисунок 3.6 Крапля висотою h з крайовим кутом змочування α( радіус 
сфери R і діаметр 2а) 
В даному досліді діаметр краплі дорівнює 2а, тому нас цікавить 
залежність  від а. Перетворення в лівій частині рівняння (3.1) для висоти h 
рівняння матиме вигляд: 
h3 3a2h 6V /  0                                                      (3.3) 
Маючи розв’язок: 
a2
h  3 u 
3  
u
3 6 3
де: u  V  a  ( V )2
 
 
61 
 
та теоремі Піфагора: 
a2  h2
                            R                                                        (3.4) 
2h
   
 
Рисунок 3.7 Характерний вигляд крапель води на поверхні 
багатофункціонального покриття(а) та звичайного покриття(б). 
 
   
Рисунок 3.8 Краплі води на поверхні звичайного покриття (а) та 
багатофункціонального покриття (б). 
Таблиця 3.1 Результати експерименту 
Вид поверхні а, мм R, мм V,мм  
базове 1,25 1,43 2,0 61 
функціональне 0,9 0,52 2,0 108 
 
Було встановлено, що поверхня з багатофункціональним покриттям має 
краєвий кут змочування в межах 115-105°, тоді як звичайне покриття має 
краєвий кут змочування в межах 60-70°. 
62 
 
3.3. Дослідження зносостійкості багатофункціональних покриттів 
 
 
Рисунок 3.9 визначення зносостійкості покриттів ватою з нержавіючої 
сталі під навантаженням 1 кг 
 
130
120
110
100
90
2
80
1
70
60
50
0 5000 10000 15000 20000
кількість циклів
  
Рисунок 3.10 Опір зносу покриттів базове покриття (1) 
багатофункціональне (2) 
63 
 
Багатофункціональним покриттям притаманна висока стійкість до 
витирання (покриття не руйнуються при значних механічних навантаженнях, 
витримуючи більше 10 000 циклів абразивного зносу стальною ватою при 
навантаженні 10 Н 
  
Звичайне покриття багатофункціональне 
Рисунок 3.11 Поверхня покриття після дослідження зносостійкості 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
64 
 
3.4 Дослідження мікрогеометрії поверхні батофункціональних 
покриттів на оптичних матеріалах 
Для вимірювання мікрогеометрії поверхні функціональних шарів в 
оптичних матеріалах застосовується метод атомно-силового мікроскопу (АСМ) 
з дотриманням наступної послідовності, яка описана у відповідній методиці 
[42]: 
1. Підготовка зразків для проведення досліджень. 
2. Налаштування атомно-силового мікроскопу для виконання роботи. 
3. Отримання топограми ділянки оптичної поверхні за допомогою 
методу АСМ. 
4. Завершення роботи з атомно-силовим мікроскопом. 
Готування оптичних зразків до досліджень розпочинається з 
виготовлення утримувача. Цей процес включає в себе приклеювання металевої 
шайби діаметром 20 мм до одного з боків за допомогою двосторонньої клейкої 
стрічки. Наступним кроком є прикріплення оптичного зразка до вільної 
сторони клейкої стрічки. 
Після з'єднання модулів АСМ та їх підключення до ПК та електричної 
мережі, прилад може бути включений шляхом виконання таких дій: 
 увімкнення управляючого комп'ютера, включаючи монітор; 
 увімкнення блока електроніки управління за допомогою кнопки 
"POWER"; 
 запуск програми управління АСМ, такої як "SurfaceScan"; 
 активація панелі "Laser" в програмі управління, включення лазера 
та підсвічення предметного столика п'єзосканера. 
Аналіз та обробка результатів сканування об'єктів включає в себе 
дослідження профілю вздовж обраного напрямку площадки, аналіз розподілу 
висот, створення кутової гістограми та обробку інформації про геометричні 
параметри оптичної поверхні 
  
65 
 
 
Аксонометрія 
 
   
Топограма Візуалізація рельєфу в режимі Розподіл сил тертя 
лазерного відхилення 
 
 
Профілограма 
 
Середнє значення мікронерівностей на ділянці: Ra = 18,9 нм; Rq = 24,8 нм 
Максимальний розкид висот Zmean = 124,1 нм; Умовна площа поверхності 
Sном = 169 мкм2;  Повна площа поверхні Sпол = 166,5 мкм2 Коефіцієнт розвитку 
поверхні Sном / Sпол = 1,015 
Рисунок 3.12 Дослідження поверхні багатофункціонального покриття методом 
атомно-силової мікроскопії 
66 
 
 
Аксонометрія 
 
   
Топограма Візуалізація рельєфу в режимі Розподіл сил тертя 
лазерного відхилення 
 
 
Профілограма 
 
Середнє значення мікронерівностей на ділянці: Ra = 34,4 нм; Rq = 42,8 нм 
Максимальний розкид висот Zmean = 723,5 нм 
Умовна площа поверхності Sном = 169 мкм2     
Повна площа поверхні Sпол = 167 мкм2 
Коефіцієнт розвитку поверхні Sном / Sпол = 1,011 
Рисунок 3.13 Дослідження поверхні багатофункціонального покриття методом 
67 
 
атомно-силової мікроскопії 
На підставі результатів аналізу можна відзначити, що найкращим 
покриттям є функціональне так як має найменшу шорсткість поверхні і має 
відносно однорідну структуру, що дозволяє використовувати його в оптичних 
приладах.  
 
3.5. Технологічний процес напилення багатофункціональних 
покриттів 
 
В оптичному приладобудуванні добре відомо, що віддзеркалення світла 
від скляних і інших поверхонь небажано і здатне створювати незручності для 
спостерігача. Відбите світло здатне, поряд з іншими небажаними ефектами, 
робити зображення неясним або вводити в оману спостерігача. Це особливо 
істотно для оптичних лінз, і для ослаблення відбиття світла від їх поверхонь 
були розроблені різні способи і композиції. 
Як правило, оптична товщина кожного з нанесених шарів контролюється 
з метою отримання оптимального або максимального ефекту просвітлення, 
причому добре відомо, що оптична товщина шару є добуток реальної 
(геометричній) товщини на коефіцієнт заломлення матеріалу шару. Зазвичай 
оптичну товщину шару вказують в частках довжини хвилі світлового променя, 
для якого він призначений. Часто в якості розрахункової приймають довжину 
хвилі від 510 нанометрів (нм) до 550 нм. Оптична товщина шару ПП може бути 
знайдена за допомогою наступної універсальної формули: 
N ada=Х  ,           (3.1) 
де N - коефіцієнт заломлення, 
d - геометрична товщина шару, 
 - розрахункова довжина хвилі, 
Х – число (зазвичай дробове), яке вказує частку довжини хвилі, 
68 
 
а - ціле число, яке вказує номер відповідного шару, тим менше, чим 
ближче цей шар до поверхні лінзи. 
Як правило, величину Х приймають рівною 0,25. 
Крім того, сучасні просвітлюючі покриття  мають зелене залишкове 
відображення, інтенсивність якого лежить між 0,75% і 1,5%. Це зелене 
відображення неприємно естетично і, крім того, діє як зелений світлофільтр, що 
знижує інтенсивність зеленого світла, сприйманого оком людини. Як з точки 
зору характеристик покриття, так і з естетичної точки зору було б набагато 
краще, якби покриття мало менший коефіцієнт відображення, що не 
створювало ефекту фільтра і, переважно, відображало лише білий світ. 
Багато сучасних просвітлюючих покриттів містять адгезивний шар, 
буферний шар, шар, стійкий до абразивного зносу, і зовнішній гідрофобний 
шар. Всі ці шари використовуються для поліпшення споживчих властивостей 
виробів, але дуже мало позначаються на оптичних характеристиках 
просвітляючого покриття. 
Для покращення технологічного процесу отримання 
багатофункціональних покриттів була запропонована наступна послідовність 
отримання покриттів: 
1. Визначення товщини шарів шляхом розрахунку за табличними 
значеннями коефіцієнтів заломлення, відповідно до технічних вимог до 
коефіцієнта відображення покриття в заданому діапазоні хвиль. 
2. Активація системи електронно-променевих випарників для 
матеріалу першого шару. 
3. Нанесення частини товщини шару під час одного проходу. 
4. Вимірювання оптичних характеристик матеріалу, що осаджуеться у 
діапазоні, який вказаний в технічному завданні, за допомогою приладу 
спектрофотометр. 
5. Обробка виміряних значень за допомогою програмного 
забезпечення ПЕОМ та передача керуючого сигналу для управління системою 
вакуумного напилення. 
69 
 
6. Автоматичне коригування режиму напилення за допомогою 
механізмів установки вакуумного напилення з використанням зворотного 
зв'язку. 
7. Повторення етапів 3, 4, 5, 6 на кожному проході до досягнення 
програмно розрахованих значень контрольованих параметрів для всього шару. 
8. Передача сигналу для відключення системи двох випарників 
матеріалу першого шару та активації системи випарників матеріалу другого 
шару. 
9. Програмне коригування результатів розрахунків згідно з 
виміряними та обробленими характеристиками першого шару. 
11. Повторення етапу 7. 
12. Переоцінка початкових розрахункових даних та визначення 
фактичних оптичних параметрів покриття для досягнення відповідності між 
заданими та виміряними характеристиками з необхідною точністю. 
13. Повторення етапу 7. 
14. Повторення етапу 11. 
Технологічний процес напилення багатошарових функціональних 
покриттів 
Процедура очищення підложок передбачає наступні кроки: спочатку 
підложку зі скла К8 обробляють розчином петролейного ефіру та етилового 
спирту у відношенні 75% - 25%, після чого остаточно протирають тампонами, 
змоченими в абсолютному етиловому спирті, для дегідратації. Очищені деталі 
завершують процедуру, протираючи їх знежиреними батистовими серветками. 
Готові деталі поміщають у знімні оправи підложкотримача, а поверхні ретельно 
очищають ворсинками за допомогою білячого пензлика. Потім очищені деталі 
вставляють у підложкотримач, який установлюється в вакуумну камеру. 
Важливо, щоб оператор виконував ці дії в гумових рукавичках або напальниках 
для додаткової безпеки. 
Підготовка вакуумної камери: 
Очищення елементів підковпачної апаратури (екранів, випарників, 
заслонів) від плівок, що випаровуються, і просочення їх спиртом. 
70 
 
Завантаження вихідних плівкоутворюючих матеріалів в випарники ( Ni, 
CaF3, MgF2, TiO2, в 4х позиційний тигель електронно-променевого випарника). 
Завантаження підложкотримача з очищеними оптичними деталями. 
Перевірка працездатності механізмів і пристроїв у вакуумній камері: 
обертання підложкотримача, переміщення заслінок, робота фотометра. 
Відкачування камери до тиску приблизно 2 Па. 
Проведення операції іонної очистки підложок відбувається в камері з 
тиском в межах від 2 до 1.38 Па, тривалість процедури становить 5-10 хвилин 
при напрузі 500 В на електроді іонної очистки та струмі розряду 150-200 мА. У 
цей час підложкотримач обертається з частотою n = 10-20 хв -1. Під час іонної 
очистки іони видаляють порошинки та молекули важких газів з поверхні, а за 
завершенням процедури камеру вакуумізують до тиску Р = 10 -2 - 10 -3 Па.  
Підложки нагріваються до фіксованої температури Тпідл = 1500°C в умовах 
високого вакууму, водночас із цим підложкотримач обертається. Під час цього 
процесу видаляються пари води і молекули легких газів з поверхні оптичних 
деталей. Тривалість нагріву становить 5-15 хвилин. 
Процес нанесення оптичного покриття розпочинається після 
знегажування плівкоутворюючих матеріалів за закритою заслінкою. Для цього 
матеріал піддається нагріванню до температури, що на 100 ºC нижче, ніж Твип. 
Під час прогрівання тиск у вакуумній камері підвищується, а потім знижується 
до рівня Р = 10-3 Па. Знегажування вважається закінченим, коли тиск 
відновлюється до початкового значення. Далі включають фотометр, виводять 
нагрівач або ЕЛІ на режим випаровування, відкривають заслінку і проводять 
випаровування матеріалу, фіксуючи параметри випарника або ЕП. Контроль за 
нанесенням випарника ведуть по фотометру. При нанесенні просвітлюючих 
покриттів метод контролю на пропускання роздільний, так як m ≥3, і 
екстримальний. 
Напилення оптичного покриття Ni 
Нанесення оптичного покриття CaF2 
Напилення оптичного покриття MgF2 
Напилення оптичного покриття TiO2. 
71 
 
060 - Розгерметизація вакуумної камери:  
після завершення процесу одержання покриттів вимикається обертання 
підложкотримача. При зниженні Тпідл до 500С камера відсікається 
високовакуумним затвором від високовакуумної системи відкачування, 
проводиться напуск повітря, відкривається вакуумна камера і проводиться 
вивантаження оптичних деталей в спеціальну касету. 
070 - Контроль.  
Таблиця 3.2 Режими нанесення багатофункціонального покриття 
Матеріал Режими нанесення покриттів 
оптичного 
Тиск Р, Па Температура Напруга на Струм Струм 
покриття 
випарника, випарнику, накалу, емісії, 
Iн мА мА 
Твип, С U, кВ 
Ni 10 -5 1453 6 8-12 20-60 
CaF3 10 -5 1360 6 10-12 20-60 
MgF -5
2 10  1255 6 10-12 20-60 
TiO  10 -52  1640 6 10-12 20-60 
 
Таблиця 3.3 Характеристика матеріалів для осадження покриттів 
Матеріал Показник залом- Температура Область спект-
лення шару, n плавлення, Тпл,° С ру,1-2, мкм 
Нікель Ni 1,54 1453 0,25-1,4 
фтористий кальцій СaF3 1,23 - 1,46 1360 0,15-12. 
Фторид магнію MgF2 1,41 1255 0,12–7 
Двоокис титану TiO2 2.4 1640 0,35-12. 
72 
 
Висновки до розділу 3: 
1. Під час моделювання багатофункціонального покриття було 
визначено, що вдосконалення структури основного покриття не призводить до 
погіршення прозорих характеристик. Таким чином, цю конструкцію 
багатошарового покриття можна використовувати як основу для створення 
багатофункціональних покриттів 
2. Було встановлено, що поверхня з багатофункціональним покриттям 
має краєвий кут змочування в межах 115-105°, тоді як звичайне покриття має 
краєвий кут змочування в межах 60-70°. 
3. Багатофункціональним покриттям притаманна висока стійкість до 
витирання (покриття не руйнуються при значних механічних навантаженнях, 
витримуючи більше 10000 циклів абразивного зносу стальною ватою при 
навантаженні 10 Н. 
4. На підставі результатів аналізу можна відзначити, що найкращим 
покриттям є функіональне так як має найменшу шорсткість поверхні і має 
відносно однорідну структуру, що дозволяє використовувати його в оптичних 
приладах. 
5. Вдосконалено технологічний процес отримання 
багатофункціональних покриттів. 
  
73 
 
РОЗДІЛ 4.ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ 
СИТУАЦІЯХ 
 
4.1. Аналіз умов праці та оцінка безпеки в надзвичайних ситуаціях 
при роботі на установках вакуумного напилювання 
 
Установка вакуумного напилювання плівок працює при розрідженні 
повітря в об'ємі робочої камери порядку до 10-7 мм. рт. ст. 
Електроживлення установки ведеться від мережі з напругою 380В. Для 
живлення катода вузла напилювання застосовується напруга понад 1000 В. 
Небезпечними факторами електронно-променевого обладнання 
виступають висока напруга, локальні області низького (вакуумна камера) та 
високого (компресор, пневмоприводи) тиску, а також наявність спрямованого 
потоку заряджених часток (електронів). Згідно вимог, висуваються до чистоти 
технології ЕПО, в певних випадках необхідна наявність оголених 
струмопідводів високої напруги (безпосередньо в вакуумній камері).  
Недотримання вимог до експлуатації технологічного вакуумного 
обладнання може привести до забруднення робочої зони (чи навіть робочого 
приміщення) випаровуваннями шкідливих речовин (вакуумного масла, 
емісійних вакуум стійких рідин тощо). 
Тому, електронно-променеве обладнання повинне мати максимально 
можливу технічну безпеку при його експлуатації. Засоби індивідуального 
захисту слід застосовувати в тому випадку, коли колективні засоби захисту не 
дозволяють забезпечити виконання вимог по безпеці праці. 
Всі види насосів для одержання вакууму (механічні, дифузійні) у процесі 
експлуатації повинні задовольняти наступним вимогам: 
 розміщатися в устаткуванні або за його межами так, щоб забезпечувати їх 
безпечне й зручне обслуговування; 
 обертові частини насоса повинні бути огороджені металевою сіткою або 
кожухом; 
74 
 
 вихлоп відкачувальної системи устаткування повинен бути спрямований за 
межі приміщення. 
Рекомендації з техніки безпеки при роботі на електронно-променевому 
обладнанні щодо виробничих приміщень такі: 
До приміщення, в яких знаходиться електронно-променеве обладнання, 
повинні висуватися вимоги по “чистим кімнатам”. 
Вхід в приміщення з електронно-променевим обладнанням дозволяється 
персоналу, який має допуск по роботі на цьому обладнанні, в іншому випадку – 
по виклику чи при вказівці. 
Робоче приміщення повинне бути яскраво освітлене, щоб запобігти 
тіньовій адаптації очей. 
До обслуговування й самостійної роботи на установках допускаються 
особи: 
 які досягли вісімнадцятирічного віку; 
 працівники, повязані з обслуговуванням та експлуатацією вакуумних 
електронно-променевих установок, повинен проходити попередні, а також 
періодичні, не рідше 1 разу в рік, медичні огляди. При погіршені стану здоров‘я 
робітник повинен без запрошення з’явитися до лікаря для медичного огляду; 
 пройшли інструктаж з безпеки праці на робочому місці; 
 пройшли перевірку знань по охороні праці при управлінні установкою 
вакуумного напилювання, що мають кваліфікаційну групу з безпеки праці; 
 працівники, які обслуговують електронно-променеве обладнання, повиненні 
мати спеціальну освіту. 
Загальні рекомендації при роботі на електронно-променевому 
обладнанні: 
 на кожній вакуумній установці повинен бути повний комплект документів що 
до її придатності до експлуатації і технічного стану установки; 
 при роботі на електронно-променевому обладнанні особливої уваги слід 
приділяти пилезахисту та вологозахисту приміщення, в якому розташована 
технологічна ділянка. Дане приміщення повинне бути герметичним і 
75 
 
відповідати третьому класу чистоти стіни, стеля та підлога приміщення – 
залізобетоні перекриття, які покриваються шаром силікагелю та фарбують у 
світлий колір масляною фарбою у 2-3 шари. Віконні рами – подвійні. Двері 
закриваються герметично. Усі ці заходи передбачено для підтримання на 
ділянці необхідного рівня чистоти.  
При обслуговуванні установки можливі наступні види небезпеки: 
електронебезпека; пожежонебезпека; термонебезпека; травмування. 
Джерелом електронебезпеки є несправна електропроводка й відсутність 
надійного заземлення установки, відкриті струмоведучі частини, несправне 
блокування. 
Джерелом пожежонебезпеки є етиловий спирт при наявності іскри або 
вогню на робочому місці. 
Джерелом термонебезпеки є нагрівачі паромасляного насоса, гарячі 
деталі робочих камер. 
Джерелом травмування є приводи обертання каруселі й механічних 
насосів, зємні кришки робочих камер. 
Щоб уникнути електронебезпеки необхідно дотримуватися наступних 
вимог: 
 всі операції по завантаженню (вивантаженню) виробів виконувати тільки після 
зняття напруги із струмоведучих частин робочої камери; 
 ввімкнення й відключення установки проводити натисненням кнопки 
вимикання мережі, розміщених на пультах керування установкою. 
Щоб уникнути термоонебезпеки не доторкатися незахищеними руками 
нагрітих вузлів установки (нагрівачів паромасляных насосів, нагрітих деталей 
робочої камери). 
Щоб уникнути травмування не доторкатися привода обертання каруселі. 
Привод механічного насоса повинен бути закритий кожухом. 
 
76 
 
4.2. Електрична безпека 
 
Електронно-променеве обладнання містить багато електричних приладів 
та схем. Це, насамперед, електронно-променева гармата, яка підключається до 
високовольтного джерела живлення, системи контролю і керування (термінали, 
вакуумметри, комп’ютер). Усе це обладнання знаходиться під струмом 
небезпечним для життя людини. 
Згідно ПУЕ–2017 цех відноситься до приміщення з підвищеною 
електронебезпекою. В приміщенні використовується мережа 380/220 з глухо 
заземленою нейтраллю. До розеток підходить п’яти провідна мережа (фази А, 
В, С, нуль робочий і нуль захисний).  
Оскільки електронно-променеве обладнання знаходиться під високою 
напругою, то в такому випадку застосовуються попереджувальні надписи: 
«Обережно висока напруга». При аварії на ЕП установці спрацьовує 
автоматичне відключення установки від мережі, при цьому загораються 
відповідні сигнальні лампи.   
 Заходи електричної безпеки на ділянці полягають в наступному: 
 ізоляція відкритих електричних частин обладнання; 
 огородження енергонесучих частин обладнання та застосування знаків 
попереджуючих про небезпечну напругу; 
 обовязкове проходження усіма працівниками, які працюють на ділянці техніки 
безпеки по роботі з електрообладнанням до 10 кВ; 
 ремонт, монтаж та огляд обладнання дозволяється лише при виключеній 
напрузі; 
 застосування одного із методів захисту електричного обладнання від пробою 
(заземлення, занулення чи автоматичного відключення); 
 винесення та огородження силових ключів в окремій шафі; 
 наявність загального вимикача напруги на ділянці; 
 наявність гумових килимок, рукавиць та фартухів при роботі в безпосередній 
близькості від електронесучих частин;  
77 
 
 не допускається вологе прибирання приміщення при включеному 
електрообладнанні; 
 не допускається експлуатація зіпсованого обладнання, а також при короткому 
замкненні в мережі. 
Перед початком роботи перевірити справність дії захисних пристроїв 
(блокувань, механічних заземлювачів) робочої камери. Справність їхньої дії 
визначається не менш чим по двох ознаках: 
 за показниками вимірювальних приладів; 
 по сигнальних лампах. 
Робоче місце необхідно тримати в чистоті й порядку. На робочому місці 
не повинно бути зайвих предметів. Дозволяється мати тільки той інструмент, 
прилади, видатковий матеріал, які необхідні для роботи. 
Прилади на робочому місці повинні бути встановлені так, щоб дроти не 
перетинали дротів. 
Проходи до щитів електроживлення, до пульта керування установкою 
повинні бути вільні. 
На панелях і пультах управління повинна бути світлова сигналізація, а 
також відповідний напис всіх органів управління. 
На всіх розетках повинна бути зазначена величина живлячої напруги. 
При несправностях на установці (про що свідчить запис наладчика в 
робочому журналі на установку) до роботи не приступати, повідомити майстра 
ділянки. 
Вимоги безпеки при аварійних ситуаціях: 
При аварійних ситуаціях, пов'язаних з ураженням електричним струмом 
необхідно вжити заходів по звільненню потерпілого від електричного струму 
повідомити майстра, та залежно від стану потерпілого звернутися до лікаря. 
Методи  звільнення потерпілого від електричного струму до. 
Відключити установку за допомогою натиснення кнопки вимикання 
мережі або за допомогою найближчого штепсельного розєму вимикача 
(рубильника). 
78 
 
У випадку віддаленості вимикача перерубати або перерізати дріт (кожний 
окремо) сокирою або іншим різальним інструментом із сухою рукояткою з 
ізолюючого матеріалу. 
При неможливості швидкого розриву електричного кола відіпхнути 
потерпілого від провода за кінці одягу або відкинути сухою палкою. 
При цьому обов'язково вжити заходів обережності: 
 одягти гумові рукавички або обернути руки сухою ганчіркою; 
 покласти під ноги собі ізолюючий предмет (суха дошка, гумовий коврик, 
згорнутий сухий одяг); 
 при відділенні потерпілого від струмоведучих частин діяти одною рукою; 
 у випадку небезпеки, що загрожує аварією або нещасним випадком, 
працюючий зобов'язаний повідомити адміністрацію (майстра, начальника цеху, 
технолога); 
 при одержанні травми роботу припинити, надати допомогу потерпілому. 
 
4.3. Пожежна безпека 
 
На підприємствах електронної промисловості застосовується велика 
кількість легкозаймистих і вибухонебезпечних речовин. Всі види робіт з 
легкозаймистими речовинами повинні вестися в окремих приміщеннях, 
обладнаних приточно-витяжною вентиляцією, у металевих витяжних шафах. У 
цих приміщеннях забороняється мати ЛЗР,  горючі матеріали, а також курити. 
На видних місцях повинні бути вивішені плакати типу: «Не запалювати 
вогню», «Вибухонебезпечно». Причини пожежі можуть бути неелектричного й 
електричного характеру. 
Враховуючи те, що електронно-променеве обладнання знаходиться під 
напругою до 10 кВ, а в шафі знаходяться легкозаймисті речовини, на ділянці 
необхідно застосовувати два вуглекислотних вогнегасника ОУ-2 та пожежну 
сигналізацію на основі 4 автоматичних теплових пожежних сигналізаторів. 
79 
 
Усі елементи аварійного відключення систем живлення ділянки 
виносяться в окрему силову шафу, яка розташовується окремо від іншого 
електричного обладнання і містить силові ключі (по два на кожний вимикач) та 
запобіжники. 
У випадку виникнення пожежі необхідно негайно відключити 
вентиляцію, нагрівальні прилади, устаткування; забрати поблизу полум'я ЛГР і 
застосовувати найбільш ефективні для даного випадку засоби пожежогасіння 
(накрити полум'я  азбестовою ковдрою, застосувати вогнегасники); повідомити 
про пожежу в пожежну частину (101). 
 
4.4.  Радіаційна безпека 
 
Під час ЕП обробки з’являється ймовірність враження біологічної 
тканини – це залежить від ряду факторів. До таких факторів відносяться діючі 
питомі енергії або потужності, первинне і вторинне спрямоване електронне 
випромінювання, стан експонованої тканини (наприклад, її пігментація, 
покриття волоссям і кровообіг) і різні фактори зовнішнього середовища. 
Біологічна дія електронного випромінювання на організм людини в 
основному обумовлений трьома видами механізмів впливу. Це термічний 
(почервоніння шкіри та ”зварення” враженої тканини), радіаційний 
(зумовлений дією вторинних електронів) та фотохімічний (повністю не 
досліджений) ефекти. 
Особливу  небезпеку становить рентгенівське випромінювання. Особливо 
це відноситься до установок, які працюють з високою напругою, вище 10 кВт.  
Найбільш вразливою частиною організму людини при дії електронного 
випромінювання є око. Це перш за все відноситься до випромінювання в 
видимому і ближньому ІЧ-областях спектра, хоча інші діапазони оптичного 
випромінювання також можуть представляти серйозну небезпеку для зору. 
Тому рекомендується застосування захисних окулярів з оптичними фільтрами. 
Такі поглинаючі фільтри призначені для фільтрації відповідної довжини хвилі 
електронного випромінювання, але іншу область видимого випромінювання 
80 
 
вони повинні пропускати без послаблення. Товщина фільтра визначається 
енергетичними параметрами електронного променя. Особливою проблемою 
при застосуванні захисних окулярів є термостійкість фільтра, який 
використовується, оскільки частина світлового потоку перетворюється в тепло. 
Для запобігання опромінення робітників можна використовувати ряд 
засобів: 
 екранування зон обробки спеціальними пристроями - екранами (виготовлені із 
алюмінієвої чи свинцевої фольги), це зменшує фон майже у 70 разів; 
 використання дистанційних засобів керування, а також звукової та світової 
сигналізації повністю позбавляє від шкідливої дії випромінювання. 
 
4.5. Вентиляція приміщення 
 
До ділянок з електронно-променевим обладнанням ставиться ряд вимог, 
основна з яких – це високий клас чистоти та мала концентрація пилу в 
виробничій зоні. По цим причинам на ділянці не можна застосовувати 
природне провітрювання. Повітря, яке подається на ділянку, повинно бути 
профільтрованим, осушеним та очищеним від технічного пилу. 
При використанні охолоджуючої речовини повинна бути передбачена 
достатня припливно-витяжна вентиляція. Крім того, для роботи з 
охолоджуючою рідиною повинні бути підготовлені відповідні захисні засоби. 
Достатня вентиляція також необхідна для видалення із робочого приміщення 
озонк, який утворюється при роботі високовольтного джерела живлення. 
 
4.6. Шумо - та віброзахист ділянки 
 
При роботі електронно-променевого обладнання спостерігається 
розповсюдження в оточуюче середовище різноманітних періодичних шумів. 
Діапазон частот даних шумів перекриває діапазон чутливості вуха людини 
(4...44 кГц) і частину області ближнього ультразвуку (до 88 кГц). Такий 
діапазон частот шкідливо впливає на нервову систему людини. Працівники 
81 
 
швидко втомлюються, подразнюються, падають їх професійні навички, що 
може привести до втрати уваги і навіть до нещасного випадку. 
Враховуючи невелику питому потужність шуму (згідно ГОСТ 12.1.003-83 
норма складає 80 дБА ) і локалізацію його основних джерел, можна вибрати як 
засіб боротьби з ним – захист його джерел кожухами із шумопоглинаючих 
матеріалів , поруваті композиційні матеріали тощо), а для електричної 
апаратури – створення захисних шумопоглинаючих барєрів (буферів, захисних 
корпусів).  
На якість отриманого виробу впливає багато факторів, основний з яких є 
позиціювання заготовки в робочій зоні. Точність позиціювання залежить 
головним чином від нерухомості обладнання – його вібростійкості. Але ряд 
факторів таких, як: рух транспорту на вулиці; робота високоінерційного 
обладнання в будівлі, де знаходиться електронно-променеве обладнання, 
викликають вібраційні збудження, які негативно впливають на точність його 
роботи. 
Для віброзахисту використовують підкладки із різних амортизаційних 
матеріалів. Матеріалами таких підкладок найчастіше виступають гума, каучук, 
полістирол. Так , гумові підкладки товщиною 8...15 мм повністю гасять 
вібрацію 15Н5Гц. 
 
4.7. Мікроклімат 
 
Згідно ГОСТ 12.1.005-88 “Мікроклімат. Загальні вимоги” встановлено 
норми мікроклімату для створення нормальних умов роботи на ділянці. Ці 
норми встановлюють оптимальні та граничні значення температури, відносної 
вологості та швидкості руху повітря на ділянці враховуючи надлишок тепла, 
пір року та роботи, яка виконується. 
Допустимі мікрокліматичні параметри можуть викликати швидко 
нормалізуючі зміни функціонального та теплового стану організму та 
навантаження реакції терморегуляції, що не перевищують фізіологічні 
82 
 
можливості, які не впливають на стан здоров‘я, але викликають дискомфорт, 
погіршення самопочуття та зниження працездатності.  
По ГОСТ 12.1.005-88 фізична робота на ділянці з електронно-променевим 
обладнанням відноситься до категорії ІІ а – робота середньої важкості. 
 Норми температури, відносної вологості та швидкості руху повітря на 
ділянці з електронно-променевим обладнанням для даної категорії роботи 
наведено в таблиці 4.1. 
Таблиця 4.1 – Порівняльні дані мікроклимату 
Оптимальні Допустимі Фактичні 
Характеристики 
норми норми дані 
Теплий період року 
Темпе ратура повітря, С 22...24 21...25 21...22 
Швидкість руху повітря, м/с 0,1 <0,2 0,1 
Відносна вологість повітря, % 40...60 <70 50 
Холодний період року 
Температура повітря, С 23...25 22...26 18 
 
Швидк ість руху повітря, м/с 0,1...0,2 <0,2 0,1 
Відносна вологість повітря, % 40...60 <70 40 
 
 
4.8 Планування комплексу чистого приміщення 
 
Розміри чистого приміщення мають бути, по можливості, мінімальними, з 
огляду на практичні вимоги й перспективи розвитку в майбутньому. Більшу 
площу, як правило, потрібно розділити на кілька зон або приміщень з 
фізичними бар’єрами чи без них. 
Присутність і діяльність людей у чистому приміщенні можуть призвести 
до забруднень або порушень потоків повітря. У додатку В наведено приклади 
комплексу чистого приміщення, які враховують це явище. У додатку А 
визначено принципи контролювання забруднення, за якими потік повітря та 
83 
 
фізична конфігурація автоматизованого робочого місця чи іншого критичного 
обмеженого простору, зокрема й персонал, що перебуває в безпосередній 
близькості, дають можливість усунути або зменшити обмін забрудненнями між 
продуктом і навколишнім середовищем. 
Розташування та організовування автоматизованого робочого місця 
Критичні автоматизовані робочі місця або зони ризику в чистих 
приміщеннях потрібно розташовувати на достатній відстані від входів і 
виходів, основних маршрутів пересування або інших чинників, які можуть 
зумовити порушення потоку повітря й підвищувати рівень забруднення. 
Робочі місця в чистих приміщеннях з горизонтальним потоком повітря 
розташовують так, щоб на чисте повітря, яке надходить до чистої зони, не 
впливали порушення чи забруднення від переміщення персоналу чи від роботи, 
яку виконують поблизу. 
Якщо технологічні операції в зоні горизонтального односпрямованого 
потоку вимагають різних рівнів чистоти, то менш чисті операції потрібно 
розташовувати після чистіших операцій за спрямуванням потоку, оскільки так 
можна гарантувати, що це не загрожуватиме підтриманню заданих умов у будь-
яких критичних точках. 
Допоміжні зони та суміжні чисті приміщення 
Допоміжні зони, такі як зони технічного обслуговування, видалення 
відходів, зберігання прибирального обладнання, туалети, кімнати вживання їжі 
тощо, розташовують так, щоб не зашкодити критичним умовам усередині 
чистого приміщення. Перепади тиску або потоки повітря, порядок доступу та 
зв’язку (повітряні шлюзи, переговорні пристрої та засоби внутрішнього 
зв’язку), герметизацію огороджувальних конструкцій (місця з’єднання, контури 
технологічного устаткування та обладнання для видалення відходів, що 
з’єднуються із огороджувальними конструкціями) потрібно передбачати й 
виконувати так, щоб унеможливити перехресні забруднення від менш чистих 
зон і загрозу забруднення чистіших зон. Розташування допоміжних зон 
потрібно поєднувати з ефективним навчанням і управлінням поведінкою 
84 
 
персоналу, щоб мінімізувати порушення й перехресне забруднення через 
переміщення між допоміжними зонами і чистими приміщеннями. 
 
Сервісні послуги і допоміжне устаткування 
Потрібно передбачати засоби видалення відходів із чистих приміщень і 
встановлювати їх так, щоб забруднення від них не призводили до порушення 
роботи чистого приміщення. 
Треба мінімізувати наявність відкритих трубопроводів і кабелів у чистих 
приміщеннях, оскільки вони можуть ускладнити прибирання та призвести до 
ушкодження одягу, серветок тощо. Різні виїмки, покриття тощо можуть 
перешкоджати прибиранню. За необхідності, потрібно визначити порядок 
проведення цих робіт у зовнішніх зонах з урахуванням розташування 
трубопроводів. Потрібно передбачити заходи для ефективного видалення 
відходів і забруднень, що утворюються у таких зонах. Конструкція точок 
підведення енергії, електричних затискачів і з’єднань повинна забезпечувати 
можливість регулярного прибирання забруднень усередині чи поза 
порожнистими кожухами. Роботи з технічного обслуговування, де можливо, 
треба виконувати поза чистими приміщеннями. Подання тиску й різних потоків 
повітря, розташування доступів (особливо тамбури й люки), огороджені місця 
(особливо поєднання матеріалів, обладнання і сер вісного обслуговування) 
потрібно виконувати так, щоб перехресне забруднення від допоміжних зон не 
загрожувало чистому приміщенню.  
Обладнання вакуумного прибирання 
Обладнання вакуумного прибирання, переносне або вбудоване, повинно 
гарантувати, що сипке забруднення може бути видалено протягом періодичного 
прибирання, а також гарантувати, що забруднення, яке виробляється будь-якою 
операцією, яку не можна здійснювати за межами чистого приміщення, буде 
ефективно видалено і з відповідною частотою. 
Там, де застосовують постійну систему вакуумного прибирання, 
вентилятор і витяжну трубу потрібно розташовувати поза чистим 
приміщенням. Якщо роботи не проводять, з’єднувальні муфти системи 
85 
 
очищення в чистому приміщенні повинні бути закритими. Потік повітря, що 
утвориться під час вакуумного прибирання, не повинен порушувати перепаду 
тиску або форми потоку повітря в чистому приміщенні. 
За умови використовування переносних засобів вакуумного прибирання 
потрібно передбачити витяжний фільтр, ефективність якого повинна бути не 
менша, ніж ефективність фільтра на припливі повітря, і необхідно враховувати 
вплив цього обладнання на потоки повітря в чистому приміщенні. 
Системи зв’язку 
На практиці комунікаційні системи повинні забезпечувати мінімальне 
переміщення персоналу всередині й поза приміщенням. Відповідними засобами 
зв’язку можуть бути вікна, переговорні пристрої, внутрішні зв’язки, канали 
зв’язку й телефони. їх необхідно вибирати, враховуючи їхню сумісність з 
класом чистоти приміщення і прикладними програмами. 
Засклення 
Під час проектування та встановлення зовнішніх вікон потрібно уникати 
втрат тепла, впливу сонця і конденсації. Вікна чистого приміщення повинні 
бути герметичними і забезпечувати спостереження за діями всередині 
приміщення, не входячи до нього. Вікна не повинні відкриватися. Може бути 
використано подвійне засклення для того, щоб поверхні стіни та скло були в 
одній площині, всередині такого засклення можуть бути жалюзі або штори. 
Треба уникати встановлення відкритих штор усередині чистого приміщення. 
Доступ 
Кількість отворів, що з’єднують чисте приміщення із зовнішнім 
середовищем або суміжними приміщеннями, повинна бути мінімальною. 
Забруднення, спричинені входом-виходом персоналу, переміщенням 
матеріалу або рухом повітря, повинні бути мінімальними. Нормально діючі 
(неаварійні) входи й виходи персоналу та подавання матеріалів до чистого 
приміщення або видалення їх з нього потрібно організовувати через повітряні 
шлюзи окремо для персоналу і матеріалів. 
Повітряні шлюзи 
86 
 
Для підтримання перепаду тиску і герметичності контрольованого 
простору під час входу і виходу звичайно потрібні повітряні шлюзи або 
передавальні люки (передавальні камери). 
Вхідні та вихідні двері шлюзу не повинні бути одночасно відкритими. 
Для огляду простору між зонами входу й виходу може бути встановлено вікна з 
прозорими шибками. Можна застосовувати електричні або механічні системи 
блокування, звукові та світлові сповіщення про відкриті двері. 
Усередині повітряних шлюзів подання матеріалів треба передбачити 
бар’єрні лави або інші засоби поділу з необхідними пристроями та 
процедурами. Проходи для матеріалу й персоналу має бути розділено. 
Кімнати для перевдягання 
Кімнати для перевдягання — це спеціалізовані відсіки для входу 
персоналу до чистого приміщення та виходу з нього. Вони повинні мати 
достатню площу і, залежно від якості чистого приміщення, меблі для 
процедури вдягання й видалення використаного одягу, в них може бути 
встановлено обладнання для миття і дезінфікування рук тощо. У місцях виходу 
і входу до чистого при міщення може бути встановлено спеціальні пристрої та 
засоби для очищення від забруднення взут тя і липкі килимки. 
Потрібно забезпечити поділ персоналу, що входить до чистого 
приміщення через кімнату перевдягання і виходить з нього. Це може бути 
забезпечено поділом у часі або організовуванням окремих маршрутів входу і 
виходу. 
Під час використовування небезпечних матеріалів потрібно передбачити 
окремі маршрути для перевдягання персоналу і його дезактивації. 
Контролювання кімнати для перевдягання та її конфігурація 
У кімнатах для перевдягання необхідно контролювати рівень забруднення 
і стан екологічно го середовища, щоб забезпечити гарантію герметичності 
чистого приміщення. Меблі для зберігання одягу й обладнання, які 
використовують у чистому приміщенні, також повинні відповідати заданому 
рівню чистоти і захисту від забруднення чутливих до нього операцій. 
87 
 
Щоб забезпечити необхід ний захист, у кімнатах для перевдягання 
потрібно мати три функціональні зони: 
a) вхід до кімнати для перевдягання: для входу з допоміжної зони 
(безпосередньо або через повітряний шлюз) у ній передбачають усе необхідне 
для зняття, зберігання, перевдягання і/або видалення одягу, забороненого для 
чистого приміщення; 
b) перехідна зона: простір, де одяг або спорядження персоналу, 
призначене для чистого приміщення, зберігають, надягають або знімають 
відповідно до інструкції; 
c) зона інспектування й виходу: простір для перевіряння, чи правильно 
надягнено одяг, і для виходу безпосередньо до чистого приміщення або через 
повітряний шлюз. 
Три функціональні зони може бути розділено фізичним бар’єром 
(наприклад, лавою, через яку потрібно переступити, або повітряним шлюзом), 
щоб пристосувати їх для виконання операцій і перевдягання. Три зони потрібно 
встановити так, щоб зона, найближча до чистого приміщення, забезпечувала 
вищий ступінь гарантії чистоти, і несприятливий вплив, зумовлений доступом 
або процедурою перевдягання у прилеглій зоні, був мінімальним. 
Обладнання кімнат для перевдягання 
Особливості кімнат для перевдягання визначаються вимогами до чистого 
приміщення. Потрібно визначити: 
 чисельність персоналу, що проходить через кімнати для перевдягання, як 
загальну чисельність, так і чисельність персоналу, що проходить одночасно; 
 процедуру перевдягання (тобто, який одяг потрібно зняти і надягти, чи є він 
одноразовим або багаторазовим, які правила забезпечують чистоту одягу та 
відсутність ризику перехресних забруднень); 
 періодичність заміни одягу. 
Необхідно забезпечити виконання таких вимог щодо кімнат для 
перевдягання: 
a) зберігання одягу до використання і видалення використаного; 
88 
 
b) зберігання захисних засобів перед використовуванням, порядок їх 
збирання і видалення після використовування (наприклад, рукавичок, масок, 
захисних окулярів, бахил); 
c) зберігання особистих речей; 
d) миття, сушіння та інші процеси очищення рук; 
e) розміщення на видному місці інструкції щодо процедури перевдягання; 
f) наявність дзеркала для можливості перевіряння правильності вдягання 
одягу персоналом. 
 
Висновки до розділу 4: в даному розділі було проведено аналіз умов 
праці та оцінка безпеки в надзвичайних ситуаціях при роботі на установках 
вакуумного напилювання 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
89 
 
Висновки 
1. Проведено літературний огляд сучасних методів напилення 
багатофункціональних покриттів  
2. Проведено дослідження процесу отримання багатофункціональних 
покриттів електронно-променевим методом 
3. Розроблено технологічний процес отримання 
багатофункціональних покриттів 
4. Експериментально на оптичному матеріалі отримано 
багатофункціональні покриття  
5. Проведено дослідження отриманих багатофункціональних 
покриттів. Встановлено, що: покриттям притаманна висока стійкість до 
витирання (покриття не руйнуються при значних механічних навантаженнях, 
витримуючи більше 10 000 циклів абразивного зносу стальною ватою при 
навантаженні 10 н.) Поверхня з покриттям має краєвий кут змочування в межах 
115-105°, тоді як звичайне покриття має краєвий кут змочування в межах 60-
70°. 
На підставі результатів дослідження поверхні з використанням методу 
АСМ можна відзначити, що отримані багатофункціональні покриття мають 
шорсткість поверхні Ra = 18,9 нм і мають відносно однорідну структуру, що 
дозволяє використовувати його в оптичних приладах 
6. В розділі охорона праці проведено аналіз техніки безпеки при 
електронно-променевому напиленні нанесенні покриттів. 
  
90 
 
Список використаних джерел 
 
1. Покриття у приладобудуванні : монографія / Антонюк В. С.. 
Тимчик Г. С., Бондаренко Ю. Ю. та ін. - Київ : НТУУ «КПІ». Вид-во 
«Політехніка». 2016. 360 с. 
2. Геворкян Е.С., Тимофеєва Л.А., Нерубацький В.П., Мельник О.М. 
Інтегровані технології обробки матеріалів: підручник. Харків: УкрДУЗТ, 2016. 
238 с. 
3. Шиліна О.П., Савуляк В.І.,. Осадчук А.Ю Вакуумно-конденсаційне 
напилювання покрить., навчальний посібник. Вінниця: ВНТУ, 2007. 96с. 
4. Нанесення покриття: навчальний посібник / Корж В.М., Кузнецов 
В.Д., Борисов Ю.С., Ющенко К.А. за редакцією НАН України К.А. Ющенка  К.: 
Арістей, 2005 р. 204 с. 
5. Інженерія поверхні: Підручник / Ющенко К. А., Борисов Ю. С., 
Кузнецов В. Д., Корж В. М. К.: Наукова думка, 2007. 559 с  
6. Сіньковський А. С. Теорія та методи напилення: курс лекцій. Одес. 
нац. політехн. ун-т. Одеса: Наука і техніка, 2003. 171 с. 
7. Корж В. М. Технологія та обладнання для напилення: Навчальний 
посібник. К.: НМЦВО, 2000. 152 с. 
8. Дубовий О. М., Степанчук А. М. Технологія напилення покриттів : 
підручник. Миколаїв: НУК, 2007. 236 с. 
9. Панфілов. Ю Нанесення тонких плівок у вакуумі. "Технології в 
електронній промисловості, 2007. № 3. С. 76-80. 
10. Рожков О.Д. Технологія нанесення покриттів. Частина I: Навч. 
посібник. – Дніпропетровськ: НМетАУ, 2008. 51 с  
11. Тонкоплівкові матеріали та технології їх одержання: Навч. 
посібник. / Калинушкін Є.П., Федоркова Н.М., Синиціна Ю.П. та ін. 
Дніпропетровськ: НМетАУ, 2009. 175 с. 
12. Шагінян Л.Р. Механізми формування тонких плівок та покриттів, 
отриманих різними методами фізичного осадження. АН України, Інститут 
91 
 
проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України.  К. : 
Академперіодика, 2017. 174 с.  (Українська наукова книга іноземною мовою). 
13. Функціональні матеріали та покриття : навчальний посібник / М. О. 
Азарєнков В. М. Береснєв, С. В. Литовченко та ін. Х. : ХНУ імені В. Н. 
Каразіна, 2013. 202 с.  
14. Білик І. І. Технологія та обладнання напилених покриттів : 
навчальний посібник. Київ : Політехніка, 2004. 101 с. 
15. Проценко І.Ю., Шумакова Н.І. Технологія одержання і застосування 
плівкових матеріалів:  Навчальний посібник. Суми: Вид-во СумДУ, 2008. 198 с. 
16. Азаренко Н.А., Береснев В.А., Погребняк А.Д. Структура и 
свойства защитных покрытий и модифицированых слоев материалов. – Харьков 
: ХНУ им. Каразина, 2007. – 576 с.  
17. Вельбой В.П., Каплун П.В. Технологія і обладнання для напилення. 
Конспект лекцій. Хмельницький: ХНУ, 2006. 142 с 
18. Davis J. R. Handbook of Thermal Spray Technology. Materials Park : 
ASM International, 2004. 338 p. 
19. Lima R., Marple B. Thermal Spray Coatings Engineering. New York : 
Springer, 2017. 350 p. 
20. Заячук Д. М. Нанотехнології і наноструктури: Навч. посібник. 
Львів: В-во «Львівська політехніка», 2009. 580 с. 
21. Корас В.М. Технологія та обладнання для напилення: Навч. 
посібник. К.: НМЦ ВО, 2000. 152 с 
22. Pelliccione M. and Lu T.-M. Evolution of Thin Film Morphology. 
Modeling and Simulations. N. Y.: Springer, 2008.  206 p. 
23. Wager J.F. / Transparent Electronics // Springer Science+Business 
Media, 2008. 
24. Thin Film Materials Technology: Sputtering of Compound Materials  
Ed. by K. Wasa, M. Kitabatake, H. Adachi. - N. Y.: William Andrew, Inc., 2004.  
518 p. 
25. Поверхностные явления и фазовые превращения в 
конденсированых пленках / Гладких Н.Т., Дукаров С.В., Крышталь А.П., и др./ 
92 
 
Харьков: ХНУ имени В.Н. Каразин, 2004. 276с. 
26. Handbook of Thin-Film Deposition Processes and Techniques. 2nd Ed. / 
Ed. by Krishna Seshan. - N. Y.: William Andrew Publishing, 2002. 656 p. 
27. Тонкоплівкова електроніка / укл.: М.М. Солован, А.І. Мостовий, 
Чернівці: Чернівецький нац.ун-т, 2021. 128 с 
28. Прокопів В. В. Фізика і технологія тонких плівок : навчальний 
посібник. Т. 1.  ІваноФранківськ : Прикарпатський національний університет 
імені Василя Стефаника, 2010. – 92 с. 
29. Установка вакуумная. Модель ВУ-1А. 1984.00.00.000 ПС. Паспорт , 
1985 
30. Кулик В. М. Спектрофотометр СФ-26-10. Техническое описание и 
инструкция по эксплуатации. Л.:, 1981. 50 с. 
31. Прокопів В. В. Матеріали електронної техніки: навчальний 
посібник. Т. 2.Івано-Франківськ: Прикарпатський національний університет 
імені Василя Стефаника, 2009. 288 с 
32. Оптоелектроніка: від макро до нано. Передавання, перетворення та 
приймання оптичного випромінювання. Книга перша [Електронний ресурс] : 
навчальний посібник Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, Вид-во «Політехніка», 
2018. –398 с. 
33. Литвиненко А. С., Петченко Г. О., Ляшенко О. М.,. Діденко О. М 
Розрахунок і конструювання оптико-електронних приладів : навч. посібник. 
Харків. нац. ун-т міськ. госп-ва iм. О. М. Бекетова. Харків : ХНУМГ iм. О. М. 
Бекетова, 2021. 139 с. 
34. Савчин В. П., Іжнін І. І., Ваків М. М. Напівпровідникова 
фотоелектроніка : навч. посіб. ЛНУ ім. І. Франка, 2010. 727 с. 
35. Тимчик Г.С., Філіппова М.В., Маркін М.О. Технологія оптичного 
виробництва. Навчальний посібник для студентів ВНЗ / Під заг. ред. Г. С. 
Тимчика – К.: НТУУ "КПІ", 2016. - 168 с.  
36. Афанасьєва О.В. Курський Ю.С., Одаренко Є.М. Оптичні 
вимірювання: навч. посібник. – Харків: ХНУРЕ, 2021. Ч.1 – 180 с. 
37. Готра З.Ю., Лопатинський І.Є., Лук’янець Б.А., Микитюк З.М., 
93 
 
Фізичні основи електронної техніки: підручник. За ред. Готри З.Ю. Львів: 
Бескид Біт, 2004. 880 с. 
38. Міжнародний  стандарт ISO 9211-1: 1994(E) Оптика і оптичні 
прилади – Оптичні покриття – Частина 1. Визначення. 
39. Міжнародний  стандарт ISO 9211-2: 1994(E) Оптика і оптичні 
прилади – Оптичні покриття – Частина 2. Оптичні властивості. 
40. Міжнародний  стандарт ISO 9211-3: 1994(E) Оптика і оптичні 
прилади – Оптичні покриття – Частина 3. Стійкість до зовнішнього впливу. 
41. Міжнародний  стандарт ISO 9211-4: 1994(E) Оптика і оптичні 
прилади – Оптичні покриття – Частина 4. Специфічні методи досліджень. 
42. Атомно-силовой мікроскоп „NT-206V” інструкція 
43. ДСТУ ГОСТ 7.1:2006. Бібліографічний запис, бібліографічний 
опис. Загальні вимоги та правила складання»: методичні рекомендації з 
впровадження/уклали: Галевич О.К., Штогрин І.М. Львів, 2008 20с. 
44. ДСТУ. 3008-95 Документація. Звіти  у сфері науки і техніки. 
Структура і правила оформлення. 
 
94
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
