В.Д.Попов. Контроль параметров зеркал лазерных гироскопов. Лекции. 1996.

ЛЕКЦИЯ 3. КОНТРОЛЬ ДЕФЕКТОВ ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Предположим, зеркало изготовлено и его оптические параметры соответствуют нормам. Еще одной характеристикой зеркала, имеющей первостепенное значение, является его дефектность.

Рис.30. Схема двухслойного покрытия с дефектами. Масштаб не соблюдён.

На рис.30 изображена схема двухслойного покрытия и указаны масштабы величин толщины пленок и основных дефектов: шероховатости подложки и слоев, посторонних частиц, зерен покрытия. Напомню, что характерные межатомные расстояния - 0,3-0,8 нм.

Рассмотрим более подробно условия, в которых производится контроль дефектности подложек и зеркал.

Для контроля используется оптический микроскоп, имеющий возможность наблюдения методом темного поля. На рис.31

Рис.31. оптическая схема микроскопа темного поля. 1 - зеркало осветителя, 2 - лампа, 3 - линза конденсора, 4 - кольцевое зеркало. 5 - параболическое зеркало, 6 - объект, 7 - линза объектива, 8 - промежуточная линза, 9 - поворотное зеркало, 10 - окуляр, 11 - глаз наблюдателя.

изображен ход лучей в таком микроскопе. Изображение в этом случае издается рассеянными лучами. Наиболее важным элементом темнопольного микроскопа является так называемый эпиобъектив - объектив, совмещенный с параболическим зеркалом осветителя. Методом темного поля могут быть обнаружены дефекты, имеющие размер менее длины волны освещения; такие дефекты изображаются точками с размером, характерным для длины волны. Дефекты, имеющие размер, достаточный для обнаружения, но разделенные на расстояние, меньшее разрешающей способности, изображаются одной точкой. Обнаружительная способность микроскопа не зависит от увеличения; она тем больше, чем больше апертура объектива и угол наблюдения.

Микроскопы с эпиобъективами представляют собой сложные и дорогие аппараты, не удобные для технологического контроля. Мы пользуемся имитацией метода темного поля, используя сравнительно простые бинокулярные микроскопы, предназначенные для препаративных работ. Микроскоп должен давать увеличение не более х100 и обладать сравнительно большим свободным отрезком (расстоянием от объектива до объекта). На рис.32 изображена схема расположения объекта при контроле оптической чистоты и дефектности зеркал.

Рис.32. Схема контроля оптической чистоты и дефектов зеркал. 1 - маска, 2 - оправа приспособления, 3 - контролируемый образец, 4 - объектив микроскопа, 5 - осветитель.

Приспособление позволяет наклонить контролируемый образец так, чтобы отраженный луч прошел мимо объектива. Маска, накладываемая на образец, сделана так, что ее внутренняя поверхность не касается контролируемой поверхности образца. Эта маска, во-первых, выделяет контролируемую зону образца при контроле оптической чистоты, так как в технических требованиях чертежа требуется, чтобы в центральной зоне детали до покрытия не было никаких дефектов. Во-вторых, маска экранирует свет от осветителя и создает темный фон.

Определенные сложности возникают с фокусировкой микроскопа при отсутствии дефектов. В этом случае рекомендуется при снятой маске сфокусировать микроскоп на край образца, а затем переместить приспособление параллельно стороне основания, а затем установить маску. При другом способе фокусировка производится на край отверстия в маске, наиболее близкий к контролируемой поверхности. Естественно, перед контролем оптической чистоты детали должны быть отмыты и очищены. Сомнения в качестве промывки трактуются как брак изготовления и подготовки подложек.

Наиболее распространенным дефектом покрытия является "точка". Точкой мы называем дефект, изображающийся в оптическом микроскопе в условиях освещения, предусмотренных технической документацией, в виде образования округлой формы (отношение максимального размера к минимальному не более 2). На рис.33

Рис. 33. Точечные дефекты. справа - при освещении лучом He-Ne лазера

показаны примеры изображения поверхности зеркала с точками (смотри также рис.1 Технологической инструкции "Контроль внешнего вида покрытий" ет25248.91015, далее ТИ).

Физически точка может иметь самую разную природу. Например, это может быть вскрытый пузырь на поверхности подложки, дефект роста, посторонняя частица, осевшая на подложку или покрытие из атмосферного аэрозоля. При технологическом контроле природа точечных дефектов несущественна; дефекты оцениваются по величине и количеству.

Покрытий, не имеющих точечных дефектов, практически не бывает. Речь может идти о различной плотности дефектов: очень хорошие покрытия имеют плотность дефектов 0,01-1 1/мм2, удовлетворительного качества 50-150 1/мм2. Обычные покрытия имеют 200 и более 1/мм2. Основной мерой борьбы с точечными дефектами является борьба с запыленностью: создание чистых помещений; поддув обеспыленным воздухом; сокращение времени пребывания зеркал вне вакуумного объема и т.п.

В действующей документации прибора ZLK-16 дефектность покрытий по плотности точечных дефектов не регламентируется. Имеется в виду, что точечные дефекты имеют умеренный размер (не более 0,05-0,08 мм) и распределены равномерно. В этих условиях интегральный коэффициент обратного рассеяния однозначно характеризует качество покрытия. Если плотность дефектов менее 10 1/мм2 или встречаются крупные дефекты, возникает проблема их измерения и счета. Одним из средств контроля для такой цели может служить анализатор изображения, обычно применяемый для расшифровки, например аэрофотоснимков.

Рис.34. Гистограмма распределения диаметров точечных дефектов. Площадь контроля 4,31 мм2, сумма 169 кадров.

На рис.34 показана гистограмма распределения дефектов по размерам, полученная с помощью анализатора изображения IBAS, изготовленного фирмой Opton (Германия). Для сравнения на гистограмме в виде непрерывной кривой приведены данные по атмосферному аэрозолю.

Вторым и последним допустимым дефектом покрытия является царапина (рис.35).

Рис. 35. Царапины.

Царапины допускаются в средней и краевой зоне покрытия (зонах, куда не может падать излучение). Фактически царапина представляет собой дефект подложки, а не покрытия. На рис. 35 показан вид покрытия с большим количеством царапин. Практически в поле зрения может попасть 1-2 царапины. По чертежу покрытие должно иметь оптическую чистоту, соответствующую II классу, поэтому суммарная длина всех царапин не должна превышать двух световых диаметров.

Царапины надо очень тщательно дифференцировать от трещин (рис.36),

Рис.36. Трещины

которые представляют собой дефект недопустимый. Основным отличием трещин является их возможность ветвления, не свойственная царапинам.

Внешний вид других недопустимых дефектов довольно разнообразен. На рис.37

Рис.37. Упорядоченные точечные дефекты

показаны различные виды упорядоченных точечных дефектов; на рис.38 - расслоение покрытия и спиральные трещины и разрушения;

Рис.38. а) Расслоение. б) Спиральные трещины и разрушения.

на рис.39 - различные типы

Рис. 39. Вспучивание

вспучивания. На рис.40

Рис.40. След ворсинки

представлен след, остающийся на покрытии от прилипшей к поверхности подложки ворсинки (например, от протирочного материала). Наконец, неосторожное обращение с зеркалами приводит к разрушению покрытия, например, рис.41.

Рис.41. Разрушение покрытия от грубого обращения.

По-видимому, перечисленные морфологические типы дефектов покрытий, не исчерпывают всего многообразия природы. Мы рекомендуем все вновь открываемые типы дефектов поначалу относить к недопустимым. Только проведя полный цикл технологических, климатических и ресурсных испытаний можно расширять перечень допускаемых типов дефектов. С другой стороны, очевидно, что дефекты плохи по определению: они могут быть допустимы по необходимости и в зоне покрытия вне луча.

Прошу заметить, что здесь изложен более чем двадцатилетний опыт контроля зеркал. Некоторые дефекты встречались за это время 1-2 раза. Не следует считать, что зеркала всегда имеют дефекты (не считая точек).