Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
advertisement
Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" Факультет электроники и телекоммуникаций Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА (дипломная работа) На тему «Оптимизация технологических процессов изготовления лазерных зеркал». Студент группы ЭПВ-111 Горюшкин Евгений Васильевич Руководитель ВКР Кандидат физ.-мат. наук, доцент Азарова Валентина Васильевна Консультант Расев Михаил Михайлович Москва, 2013 Оглавление 1 Аннотация ......................................................................................................... 3 2 Введение. Постановка задачи ......................................................................... 4 3 Обзор литературы ............................................................................................ 6 3.1 Методы нанесения тонких пленок ........................................................ 6 3.2 Методы контроля толщины осаждаемых тонких пленок ................. 10 3.3 Требования, предъявляемые к лазерным зеркалам ........................... 12 4 Специальная часть.......................................................................................... 13 4.1 Описание вакуумной установки ву-600ило ....................................... 13 4.2 Расчет лазерных зеркал с помощью матриц абелеса ........................ 19 4.3 Влияние ошибок напыления на спектральные и фазовые характеристики лазерных зеркал ............................................................... 23 4.3.1 Оценка допустимой ошибки одного слоя при работе на установке ву-600ило ............................................................................. 25 4.3.2 Влияние случайной ошибки напыления последовательно каждого слоя на характеристики многослойника.............................. 27 4.3.3 Влияние систематической ошибки напыления на характеристики многослойника. ......................................................... 29 4.4 Корректировки, вносимые в ходе технологического процесса. ...... 30 4.5 Контроль фазовой анизотропии - фазовый поляриметр с вращающимся анализатором ..................................................................... 33 4.6 Корректировка значений фазовой анизотропии методом допыления ....................................................................................................................... 35 5 Экономическая часть ..................................................................................... 40 6 Экологическая часть ...................................................................................... 42 7 Охрана труда ................................................................................................... 45 7.1 Электробезопасность ............................................................................ 45 7.2 Микроклимат в рабочей зоне ............................................................... 51 7.3 Пожарная безопасность ........................................................................ 53 8 Выводы ............................................................................................................ 57 9 Список использованных источников ........................................................... 58 10 Приложения .................................................................................................. 59 2 1 Аннотация В данной работе рассмотрены методы нанесения многослойных диэлектрических интерференционных высокоотражающих покрытий с низкими потерями, методы контроля толщины наносимых покрытий. Описано влияние на спектральные и фазовые характеристики лазерных зеркал различных ошибок напыления. Выявлены такие недостатки технологических процессов изготовления лазерных зеркал на установке ВУ-600ИЛО, как человеческий фактор, недостаточность кварцевого контроля с одним датчиком для точного нанесения рассматриваемых покрытий. Описана эмпирически наработанная возможность внесения корректировок в ходе процесса для уменьшения возможных ошибок технологических корректировки процессов. значений Рассмотрен фазовой метод анизотропии «допыления» лазерных для зеркал. Предложена возможность усовершенствования используемой установки путем установки в нее фазового поляриметра с вращающимся анализатором, позволяющего значительно сократить затраты времени на корректировку значений фазовой анизотропии. Приведена принципиальная схема такого устройства. 3 2 Введение. Постановка задачи Тонкопленочные покрытия в современном мире занимают очень важную роль. Известно, что многие требования, предъявляемые к промышленному изделию, определяются, в основном, поверхностным слоем материала, из которого они изготовлены. Поэтому нецелесообразно использовать редкие и дорогие материалы, если их можно заменить распространенным материалом, придав необходимые свойства его поверхности с помощью тонкопленочного покрытия. В других случаях, и вовсе нельзя получить необходимые свойства устройства или какого-либо его элемента без применения тонких пленок. Таким образом, тонкие пленки стали неотъемлемой частью микроэлектроники, машиностроения, медицины. Покрытия могут использоваться для повышения термо- и износостойкости материалов, для увеличения совместимости с живыми тканями, когда речь идет о различных имплантатах, в декоративных и других целях. Огромную роль тонкие пленки играют и в оптических системах. В оптике поляризующими, покрытия могут высокоотражающими. быть С просветляющими, развитием техники и технологий к тонкопленочным покрытиям предъявляют все более строгие требования, что обуславливает необходимость оптимизировать и совершенствовать методы их нанесения. Важно, чтобы все этапы технологических процессов изготовления лазерных зеркал (подготовка подложек, загрузка и выгрузка их из рабочей камеры, измерение параметров и др.) проходили в условиях чистых помещений или чистых зон, отвечающих требованиям чистоты Класс 6 ИСО по ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000. Также важным этапом изготовления лазерных зеркал является подготовка подложек к технологическому процессу нанесения на них тонкопленочных покрытий. На этом этапе подложки подвергают обработке в ультразвуковых ваннах с 4 использованием хромовой смеси, перекисно-аммиачного раствора, затем промывают в деионизованной воде. Лазерные зеркала интерференционные – многослойные высокоотражающие диэлектрические покрытия, образующие оптический резонатор. Оптический резонатор – это неотъемлемая часть любой лазерной системы, которая во многом определяет свойства лазерного излучения. Одним из наиболее перспективных методов нанесения покрытий для лазерных зеркал является методов ионно-лучевого распыления. Такой метод реализован на установке ВУ-600ИЛО. Стоит отметить, что эта установка является экспериментальной, хотя и задействована в производстве. Она представляет собой как бы переходный шаг от истоков технологии ионно-лучевого метода нанесения покрытий к более современным установкам. В более современных установках ионнолучевого напыления отказались от использования накальных элементов для эмиссии электронов. Так, на смену ионным источникам типа Кауфмана пришли индукционные ионные источники. Существуют установки ионнолучевого напыления, позволяющие осаждать пленки сразу из двух материалов, меняя при этом коэффициент преломления осаждаемых пленок с очень маленьким шагом [1]. Таким образом, можно создавать уникальные покрытия, которые на данный момент нельзя получить другими методами. В данной работе рассматриваются способы оптимизации технологических процессов нанесения тонкопленочных покрытий методом ионно-лучевого распыления на вакуумной установке ВУ-600ИЛО для улучшения качества изготавливаемых зеркал и построенных на них приборов. 5 3 Обзор литературы 3.1 Методы нанесения тонких пленок В настоящее время существует множество различных технологий для нанесения тонких пленок на подложки в вакууме [2]. Для создания многослойных диэлектрических интерференционных высокоотражающих покрытий с низкими потерями (лазерных зеркал) используют методы, которые можно классифицировать по механизму генерации потока осаждаемых частиц: 1) Термическое испарение. 2) Ионное распыление. К первой группе относятся такие методы, как электронно-лучевое и лазерное испарение. Ко второй – магнетронное, ионно-лучевое распыление. Существуют и другие методы, которые можно отнести к этим двум группам, но по различным причинам, например, из-за возможности нанесения покрытий только проводящих материалов или полупроводников, их не применяют для создания лазерных зеркал, подобных тем, что рассматриваются в данной работе. Для осаждения тонких пленок в вакууме методом электроннолучевого испарения вещество, помещенное в тигель, бомбардируют пучком электронов, разогревая его до температуры испарения. Испаренные частицы вещества образуют поток. В этом потоке пара размещают подложки, на которые производится напыление. Для проведения электронного пучка к тиглю с испаряемым материалом и обеспечения параметров пучка, требуемых для технологического процесса, используют магнитные фокусирующие линзы и магнитные отклоняющие системы. Достоинствами данного метода можно считать достаточно высокую скорость напыления (10-60 нм/с), универсальность (наносят пленки 6 металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков) и относительно простую реализацию. К недостаткам следует отнести необходимость наличия высокго ускоряющего напряжения (порядка 10 кВ), образование вторичных электронов и бомбардировку ими подложек, возникновение из-за этого дефектов в наносимых покрытиях, плохую адгезию тонких пленок вследствие низкой энергии осаждаемых частиц (0,1-0,3 эВ). Из-за низкой энергии осаждаемых частиц пленки, полученные этим методом, часто имеют частично поликристаллическую структуру, что негативно сказывается на качестве зеркал ввиду рассеяния света на гранях кристаллов. Качественные пленки для лазерных зеркал должны быть аморфными. Аморфные пленки имеют более низкую шероховатость и, как следствие, меньшие потери на рассеяние излучения (рис. 3.1). Рисунок 3.1. Влияние структуры пленки на шереховатость покрытия [3] 7 Основная идея лазерного испарения очень схожа с методом электронно-лучевого испарения. Отличие заключается в том, что энергия испаряемому веществу сообщается посредством сфокусированного излучения оптического квантового генератора (лазера). Метод лазерного испарения не имеет таких недостатков электронно-лучевого метода, как необходимость высокого ускоряющего напряжения. Покрытия получаются значительно более качественными. К минусам этого метода также можно отнести низкую адгезию тонких пленок, образование поликристаллических структур в покрытии и достаточно сложную реализацию. Существуют методы улучшения адгезии в методах термического испарения. Они заключаются в использовании ионных источников для «утрамбовывания» осаждаемых на подложки частиц. Такие методы улучшения адгезии дают весьма неплохие результаты, но усложняют технологические процессы. Ионные пучки, используемые с этой целью должны быть узконаправленными, чтобы не распылять конструкционные элементы установки и наносимые покрытия, но при этом выполнять свою функцию. Добиться этого весьма трудно. Суть методов ионного распыления сводится к созданию ионов инертного газа (например, аргона) и бомбардировки ими мишеней. Атомы мишеней «выбиваются» из поверхностного слоя мишеней, вступают в реакцию с подаваемым в камеру реактивным газом (например, кислородом) и уже в виде окислов осаждаются на подложках. Метод магнетронного распыления основан на использовании скрещенных магнитного и электрического полей для повышения эффективности ионизации инертного газа. Линии магнитного поля перпендикулярны линиям электрического поля и проходят через поверхность катода-мишени. При подаче напряжения на анод, в промежутке между анодом и мишенью возникает разряд. Электроны, двигаясь по спирали, ионизируют рабочий газ, положительные ионы которого и бомбардируют мишень. 8 В методе ионно-лучевого распыления ионный пучок формируется специальным источником ионов. Разряд горит уже не в объеме всей рабочей камеры, а лишь в газоразрядной камере внутри источника, что положительным образом сказывается на чистоте осаждаемых покрытий. Тонкие пленки, осаждаемые ионными методами, обладают значительно более качественной структурой, потери на рассеяние в таких покрытиях значительно ниже, чем в покрытиях, полученных методами термического испарения. Энергия осаждаемых частиц в методах ионного распыления на порядок выше (3-5 эВ). Покрытия, полученные данными методами, обладают хорошей адгезией. сравнение достоинств и недостатков В таблице 3.1 приведено описанных выше методов изготовления лазерных зеркал. Таблица 3.1 Сравнение покрытий для лазерных зеркал. Наименование метода методов Достоинства метода Электроннолучевое испарение Универсальность, высокая скорость осаждения тонких пленок, высокая чистота покрытий, относительная простота реализации Лазерное испарение Универсальность, высокая скорость осаждения тонких пленок, высокая чистота покрытий нанесения тонкопленочных Недостатки метода Образование поликристаллической структуры, низкая адгезия покрытий, нерегулируемая скорость осаждения, низкая и непостоянная энергия осаждаемых частиц, бомбардировка изготавливаемых покрытий вторичными электронами и образование дефектов на них по этой причине Образование поликристаллической структуры, низкая адгезия покрытий, нерегулируемая скорость осаждения, низкая и непостоянная энергия осаждаемых частиц, сложность реализации 9 Магнетронное распыление Ионно-лучевое распыление Универсальность, образование аморфных пленок, хорошая равномерность и адгезия покрытий, регулируемая скорость осаждения покрытий относительная простота реализации Универсальность, образование аморфных пленок, хорошая равномерность и адгезия покрытий, регулируемая скорость осаждения покрытий относительная простота реализации Невысокая чистота покрытий из-за наличия рабочего газа, разряд горит во всем объеме рабочей камеры, нерегулируемая энергия осаждаемых частиц Невысокая чистота покрытий из-за наличия рабочего газа, нерегулируемая энергия осаждаемых частиц 3.2 Методы контроля толщины осаждаемых тонких пленок В настоящее время для контроля толщин осаждаемых пленок широко используют две группы методов. Это методы оптического контроля и методы, использующие кварцевые осцилляторы. Методы оптического контроля основаны на явлении многолучевой интерференции света. Исторически первым был простейший метод контроля, позволявший контролировать осаждение только четвертьволновых покрытий. Суть метода заключается в следующем: излучение от белого источника света, проходя через специально устанавливаемый светофильтр, проходит через «свидетель» (стекло известной толщины и известным коэффициентом преломления) и попадает на фотоприемник. В отсутствие покрытия на «свидетеле» фотоприемник будет детектировать максимум интенсивности проходящего излучения. При оптической толщине осаждаемой пленки λ/4 будет детектироваться минимум интенсивности. Что будет означать окончание осаждения слоя необходимой толщины. Дальнейшим развитием метода оптического контроля стал метод широкополосного спектрального мониторинга [4]. Как следует из названия 10 метода, в нем используются излучение широкого спектра. Путем компьютерного моделирования можно с очень высокой точностью прогнозировать изменение спектра пропускания «свидетеля» по мере осаждения тонкой пленки. Таким образом, метод позволяет контролировать толщину осаждаемой пленки на протяжении всего процесса, не привязываясь к одному светофильтру, а, значит, и одной длине волны. Другой широко используемой группой методов контроля толщины осаждаемых пленок являются методы кварцевого контроля. Измерение толщины осаждаемой пленки в методах кварцевого контроля основано на изменении частоты собственных колебаний датчика по мере увеличения его массы. Датчики в этих методах контроля представляют из себя монокристалл кварца, к обеим сторонам которого прикреплен проводниковый электрод (как правило, тонкий слой золота). Упрощенный прибор кварцевого контроля изображен на рисунке 3.2. Рисунок 3.2. Упрощенный прибор кварцевого контроля По имеющимся данным, использование упрощенного прибора кварцевого контроля дает точность измерений около 3%. Точность кварцевого контроля можно увеличить почти на порядок (примерно до 0,2%), если поддерживать стабильную температуру датчика, что является весьма трудной задачей, или если использовать прибор с двумя датчиками (рис. 3.3). В приборе кварцевого контроля осаждение пленки производится только на один из датчиков, показания второго являются опорными. Но для этого прибора очень важно, чтобы датчики находились в одинаковых температурных условиях [5]. 11 Рисунок 3.3. Прибор кварцевого контроля с двумя датчиками 3.3 Требования, предъявляемые к лазерным зеркалам К лазерным зеркалам, рассмотренным в данной работе, предъявляются следующие требования (для излучения с длиной волны λ=632, 8 нм, при угле падения 44°): коэффициент потерь для круговой поляризации не более 0,18%; значение интегрального коэффициента обратного рассеяния не более 0,022%; коэффициент пропускания для p- поляризации Tp не менее 0,08%; абсолютное значение фазовой анизотропии ∆ не более 0.11 рад. Выполнение требований, предъявляемых к подложкам лазерных зеркал (например, качество поверхности), не зависит от технологических процессов нанесения покрытий, и поэтому здесь они приводиться не будут. 12 4 Специальная часть 4.1 Описание вакуумной установки ВУ-600ИЛО Вакуумная установка ВУ-600 ИЛО предназначена для осаждения прецизионных тонких пленок с воспроизводимыми высококачественными характеристиками для получения многослойных оптических и других покрытий методом ионного распыления. Вакуумная установка состоит из стойки управления и вакуумного блока. Стойка управления обеспечивает контроль, защиту, управление и электропитание исполнительных устройств откачного поста установки, криогенного насоса, форвакуумного агрегата и технологических источников, входящих в состав вакуумной установки. Вакуумный блок предназначен для размещения узлов и систем установки, посредством которых осуществляется технологический процесс. Основными частями вакуумного блока являются: вакуумная система; система пневматическая; система гидравлическая; система напуска газов; Вакуумная система предназначена для создания необходимого давления в рабочей вакуумной камере, поддержания заданного давления, подачи в камеру технологических газов и обеспечения последовательности технологического осаждения тонких пленок методом ионно-лучевого распыления в вакууме. Вакуумная система состоит из следующих основных частей: - вакуумной камеры с клапанами напуска воздуха и датчиками давления; 13 - системы форвакуумной откачки (на базе механического вакуумного насоса); - системы высоковакуумной откачки камеры (на базе криогенного насоса); - системы подачи технологических газов в камеру. Вакуумная камера (рис. 4.1) предназначена для создания высокого вакуума необходимого для технологических процессов. Камера изготовлена из нержавеющей стали. Камера закрывается дверью, место стыка камеры и двери уплотняется прокладкой. На двери имеется смотровое окно. Рисунок 4.1. Схема вакуумной камеры Сама камера состоит из нижней и верхней плиты и обечайки, на которых имеются необходимые вводы для элементов вакуумной системы и исполнительных механизмов, а также предусмотрены технологические запасные отверстия. Камера и дверь изготовлены из нержавеющей стали и имеют змеевики, по которым циркулирует холодная вода для охлаждения камеры и двери. Внутри камеры установлены быстросъемные экраны, выполненные из тонкого листа нержавеющей стали. На нижней плите 14 камеры установлен поворотный столик с мишенями. На верхней плите камеры установлен ввод вращения подложкодержателя с планетарной системой (далее «карусель») и кварцевый контроль толщины пленки с одним датчиком. В камере размещен ионный источник типа Каумфана, а также установлены клапана напуска воздуха и система подвода технологического газа. Ионный пучок, генерируемый ионным источником, бомбардирует поверхность мишени, расположенной на мишенедержателе. Распыленные атомы материала взаимодействуют с поступающим в камеру кислородом и в качестве оксидов осаждаются на подложки. Измерение толщины покрытий осуществляется системой кварцевого контроля с одним датчиком. Ионный источник служит для формирования высокоэнергетического ионного пучка рабочего газа Ar с низкой расходимостью. При распылении диэлектрической мишени объемный заряд пучка компенсируется термоэмиссионными электронами катода - нейтрализатора. В качестве мишеней используются пластины титана и кварца. Они закрепляются на двух хорошо отполированных водоохлаждаемых медных плитах - мишенедержателя (устройства смены мишеней). Устройство имеет два рабочих положения, в которых распыляемым материалом является или титан, или кварц. Замена мишени осуществляется поворотом устройства на 180°. Угол падения ионного пучка на мишень составляет 55°. «Карусель» представляет из себя кассеты с позициями для подложек диаметром 30мм. Карусель вращается по планетарной системе и через магнитную муфту приводится в движение электродвигателем, расположенным вне вакуумной камеры. Скорость вращения регулируется в пределах 0 — 90 об/мин. Заслонка служит для защиты подложек и "свидетеля" от распыляемого материала при чистке мишеней и во время переходных 15 процессов при смене мишеней. Она может занимать только два положения: "закрыто" и "открыто". Через нержавеющую трубку к подложкам подводится кислород для получения TiO2 и SiO2 покрытий. Пневматическая система предназначена для управления высоковакуумным затвором, клапанами и продувкой азотной ловушки. Все элементы пневмопривода установлены на пневмостанции. На входе в пневмосистеме вакуумной установки имеются фильтр влагоотделитель, маслораспылитель и регулируемое реле давления. Управление подачей сжатого воздуха осуществляется при помощи электромагнитных клапанов. Гидравлическая система предназначена для охлаждения кварцевого датчика, вакуумной камеры, распыляемых мишеней, двери камеры, фланца камеры и компрессора криогенного насоса. Система напуска технологического газа обеспечивает напуск аргона (или другого, предусмотренного технологией инертного газа) и кислорода по двум газовым каналам с регулированием и контролем расхода газов с индикацией. 1. До 1,8 л/ч напуск кислорода в рабочую камеру непосредственно в зону расположения подложек. 2. До 0.9 л/ч напуск аргона в ионный источник. Технологический газ в каждом из двух каналов из газового баллона через редуктор поступает к ручному крану, далее идет очистка в фильтре. Посредством регуляторов рабочих газов устанавливается расход газов, предусмотренный технологией производства лазерных зеркал. Максимальное рабочее давление в вакуумной камере при отрегулированной подаче технологических газов не должно превышать 5·10-2 Па. При дальнейшем увеличении давления в камере сработают блокировки и выключится компрессор крионасоса. 16 В основе работы установки лежит способ реактивного нанесения в вакууме материалов мишеней, распыленных ионным пучком. Высокий вакуум в рабочей камере достигается безмасленной системой откачки на основе крионасоса. Поворотный мишенедержатель обеспечивает установку двух мишеней. Газовая система для подачи рабочих газов изготовлена на основе регуляторов расхода газа РРГ-3. Контроль толщины покрытий осуществляется при помощи системы кварцевого контроля с одним датчиком. Работа установки осуществляется в следующей последовательности: 1) вакуумная система приводится в рабочее состояние; 2) подготовленные к напылению подложки, контрольные стекла ("свидетели") загружаются в камеру рабочую; 3) производится откачка камеры рабочей; 4) проводится технологический процесс; 5) выгрузка зеркал по окончании технологического процесса; Система управления установкой Система управления установкой обеспечивает управление технологическим процессом в ручном режиме, которое осуществляется с помощью кнопок и потенциометров, расположенных на блоках, в стойке управления. Ионный источник предназначен для создания в вакууме пучка ионов аргона (или иных инертных газов). В вакуумной установке ВУ-600 ИЛО используется технологический источник ионов Ø10 см КЛАН-103. Данный источник был изготовлен на фирме “Платар”. В качестве основного прототипа ионного источника был выбран сеточный источник Кауфмана с прямонакальным катодом, представляющий собой обычную коаксиальную камеру с продольным магнитным полем. Стоит отметить, что такая конструкция была с самого начала использована в ионных источниках и по сей день широко 17 применяется в моделях с максимальным диаметром пучка 10 см. Схематичное изображение источника приведено на рисунке 4.2. Рисунок 4.2 Схематичное изображение ионного источника типа Кауфмана: 1- накальный катод, 2 - экран катода, 3 – цилиндрический анод, 4 – соленоид, 5 – ввод инертного газа, 6 – плазма, 7 – экранная сетка, 8 – ускоряющая сетка, 9 – накальный катод-нейтрализатор Основные технические параметры ионного источника: - рабочий газ - аргон, криптон, ксенон; - энергия ионов 500 1700 эВ; - ток пучка ионов - до 150 мА; - расход рабочего газа - до нс см 3 7 мин ; - рабочее давление - не выше 2.10-2 Па; - ток эмиссии катода - нейтрализатора - до 150 мА. 18 4.2 Расчет лазерных зеркал с помощью матриц Абелеса Среда, свойства которой постоянны на каждой плоскости, перпендикулярной к фиксированному направлению, называется слоистой средой. Теория слоистых сред приобретает важное значение в оптике в связи с многослойными системами, т.е. с системами тонких плоскопараллельных пленок. Такие пленки можно изготовлять методом напыления в высоком вакууме, а их толщину можно контролировать с очень большой точностью. Они находят множество полезных приложений. Например, их можно применять в качестве просветляющих пленок, т.е. в качестве покрытий, которые уменьшают отражение от данной поверхности. Вместе с тем тонкие пленки при соответствующих условиях будут увеличивать отражение. Многослойные системы употребляются также в качестве поляризаторов. Вопрос о диэлектрических и металлических пленках очень широко обсуждался в научной литературе [6]. Основу большинства многослойных диэлектрических покрытий составляет чередующаяся структура четвертьволновых пленок [7] с высоким и низким показателями преломления вида (HL) (рис. 4.3). H обозначает слой с высоким показателем преломления (High), а L – слой с низким показателем преломления (Low). В этих обозначениях многослойное диэлектрическое зеркало может быть записано в виде формулы A(HL)N HG, где А – полубесконечная среда с показателем преломления n1 (обычно воздух), G – подложка с показателем преломления nG, Показатели преломления слоев H и L соответственно обозначим через n2 и n3. На рисунке 4.3 показан пример такой многослойной периодической системы. 19 Рисунок 4.3. Периодическая многослойная структура. Расчет оптических свойств многослойных диэлектрических зеркал предлагается проводить методом характеристических матриц Абелеса [7, 8], весьма удобным при решении задач на ЭВМ. В основе описания пленочных систем методом Абелеса лежит понятие матрицы слоя, имеющей вид для s- поляризации (s-(senkrecht) поляризация, вектор Е перпендикулярен плоскости падения) cos sin j j Mj pj p sin cos j j j 20 j где 2 n j h j cos j , p j n j cos j , nj arcsin sin j , n j 1 j 1 - длина волны падающего света, 1 - угол падения на многослойник Для p- поляризации (вектор Е параллелен плоскости падения) в матрице Mj значения pj заменить на qj. qj cos j nj Важной особенностью матрицы Мj является то, что ее матричные элементы полностью определяются показателем преломления nj и толщиной hj j- того слоя и не зависит таким образом от параметров окружающей среды. Через Θj обозначен угол преломления в j-том слое . Матрица многослойника М определяется произведением матриц слоев в порядке обратного хода лучей: 2N 1 M Mj j 1 Таким образом можно рассчитать матрицу многослойника. Обозначим ее через E 11 E E 21 E 12 E 22 для s- поляризации и 21 A11 A A21 Через A12 A22 для p-поляризации. элементы матрицы можно определить коэффициенты отражения по амплитуде rs для света с s- поляризацией и rp для света с pполяризацией по формулам: rs E11 p1 E22 pG E12 pG p1 E21 E11 p1 E22 pG E12 pG p1 E21 rp A11q1 A22qG A12qG q1 A21 A11q1 A22qG A12qG q1 A21 Коэффициенты отражения по интенсивности для s- и p- поляризаций определяются по формулам: Rs rs rs* ; R p rp rp* . Скачок фазы при отражении от зеркала определяется по формулам: Im rs ; Re r s rs arctg Коэффициенты пропускания Im rp Re r p rp arctg по амплитуде определяются по формулам: ts 2 p1 E11 p1 E22 pG E12 pG p1 E 21 tp 2q1 A11q1 A22 qG A12 qG q1 A21 , . 22 По интенсивности коэффициенты пропускания для s- и pполяризации определяются по формулам: pp Ts t s t s* T p (t p t *p ) G ; 1 qG q1 . Скачок фазы при пропускании: t s arctg Im t s Re t s Im t p t p arctg Re t p , Отметим, что скачки фаз rs и rp воздух – многослойник, а скачки фазы ts и относятся к границе раздела t p к границе многослойник – подложка. Фазовая анизотропия определяется по формуле: rp rs . Амплитудная анизотропия определяется по формуле rs rp rs rp Представленный . метод для моделирования лазерных зеркал использован для всех расчетов в данной работе в среде MathCAD (приложение 1). 4.3 Влияние ошибок напыления на спектральные и фазовые характеристики лазерных зеркал Как видно из рисунка 4.4, «полка» спектра пропускания для рполяризованного света значительно уже, чем для s-поляризованного. 23 По этой причине все требования, предъявляемые к лазерным зеркалам, будут рассматриваться для р- поляризованного света (если будут выполнены для p-, будут выполнены и для s-). Различные характеристики, коэффициенты, требования к лазерным зеркалам, указаны для основной длины волны λ=632.8нм и угла падения излучения на многослойник π/4 (если не оговорено иначе). Рисунок 4.4. Спектр пропускания идеального 19-и слойного лазерного зеркала для s-, p- поляризованного света. 24 4.3.1 Оценка допустимой ошибки одного слоя при работе на установке ВУ-600ИЛО Рассмотрим влияние толщины однослойных покрытий H (например, TiO2; n≈2.4) и L (например, SiO2; n≈1.48), нанесенных на ситаловую подложку (n≈1.51), на величину коэффициента пропускания Tp. С увеличением оптической толщины dH однослойника Н коэффициент пропускания уменьшается до достижения им оптической толщины λ/4, после чего снова коэффициент пропускания снова начинает расти (рис. 4.5). Рисунок 4.5. Зависимость коэффициента пропускания Tp от оптической толщины однослойника dH. С увеличением оптической толщины dL однослойника L коэффициент пропускания увеличивается до достижения им оптической толщины λ/4, после чего снова коэффициент пропускания снова начинает уменьшаться (рис. 4.6). 25 Рисунок 4.6. Зависимость коэффициента пропускания Tp от оптической толщины однослойника dL. Как видно из рисунков 4.5 и 4.6, коэффициент пропускания Тр в зависимости от толщины для однослойника L меняется значительно меньше по сравнению с H. Допустимое изменение коэффициента пропускания Тр для однослойника H не более 0.01%, тогда соответствующее изменение оптической толщины лежит в диапазоне ±1.5% от λ/4 (рис.4.7). Как показывает опыт использования установки ВУ-600ИЛО, наибольшая возможная ошибка напыления слоя составляет немногим более 3% от λ/4 (для λ=632.8 нм), что превышает наибольшую допустимую ошибку. Вносимые в начальные данные корректировки по ходу процесса, будут описаны далее в параграфе 4.4 настоящей работы. 26 Рисунок 4.7. Допустимое изменение коэффициента пропускания Тр для однослойника H: h1=λ/4-1.5%; h2=λ/4+1.5%. В параграфах 4.3.2 и 4.3.3 рассматривается, как влияет ошибка напыления слоев до 3% на спектральные и фазовые характеристики многослойника. 4.3.2 Влияние случайной ошибки напыления последовательно каждого слоя на характеристики многослойника. Рассмотрим влияние случайной ошибки напыления одного из слоев многослойника на спектральные и фазовые характеристики всего многослойника в целом. Коэффициент пропускания многослойника, содержащего только один слой с ошибкой напыления 3%, меняется на единицы ppm, что несущественно. Тем не менее, отметим, что наибольший вклад в изменение коэффициента пропускания вносят срединные слои (для 19-и 27 слойного покрытия это слои с 4 по 16) (Рис. 4.8). Стоит отметить, что знак ошибки напыления одного из слоев на величину изменения коэффициента пропускания не влияет. Рисунок 4.8. Коэффициент пропускания многослойника с ошибкой в i-от слое (i = 0 – многослойник, не содержащий ошибок напыления, i = 1 – ошибка в верхнем слое). На величину фазовой анизотропии многослойника сильнее всего влияют его верхние 7 слоев (рис. 4.9). Именно эта особенность используется при внесении корректировок в ходе процесса (параграф 4.6) 28 Рисунок 4.9. Фазовая анизотропия многослойника с ошибкой в i-ом слое : i = 0 – многослойник, не содержащий ошибок напыления; i = 1 – ошибка в верхнем слое красный график – «перепыление», черный – «недопыление». 4.3.3 Влияние систематической ошибки напыления на характеристики многослойника. По различным причинам, например, из-за неправильных расчетов, флуктуаций токов и напряжений в ходе технологического процесса, некорректного выставления токов и напряжений оператором установки, может возникать систематическая ошибка в напылении слоев. Рассмотрим возможные варианты таких ошибок: все слои (и H, и L) недопылены (обозначим такую ошибку, как (H-, L-), все слои перепылены (H+, L+)), также возможны ошибки (H+, L-) или (H-, L+). Как уже отмечалось в параграфе 4.3.1, ошибка напыления на установке ВУ-600ИЛО лежит в 29 пределах ±3% (если эта ошибка не связана с расчетами требуемых толщин). Рассмотрим подробнее описанные выше ошибки в этих пределах: Таблица. 4.1. Коэффициент пропускания Tp и фазовая анизотропия идеального 19-ислойного зеркала и зеркал с ошибками напыления 1.5% и 3% для λ=632.8 нм. Tp, % ∆, рад Ошибка отсутствует 0.157 0 Ошибка (H+,L-) 0.158 0.013 Ошибка (H-,L+) 0.158 -0.013 Ошибка (H+,L+) 0.189 0.11 Ошибка (H-,L-) 0.189 -0.11 Как видно из таблицы 4.1 ошибки напыления разных знаков ((H+, L-) и (H-, L+)) в указанных диапазонах ±3% на требуемые характеристики практически не влияют. Ошибка разных знаков чаще возникает из-за неточного измерения коэффициента преломления напыляемых материалов, то есть из-за неправильного расчета требуемых толщин. Тогда как ошибка одного знака скорее является ошибкой именно напыления. Ошибка разных знаков до 3%, как видно из таблицы, не приводит к изготовлению брака. Тогда как ошибка одного знака приводит. Возникает необходимость корректировки начальных данных. 4.4 Корректировки, вносимые в ходе технологического процесса. Как уже отмечалось ранее, по самым различным причинам могут возникать ошибки напыления, приводящие к изготовлению брака. Тем не менее, в ходе технологического процесса изготовления лазерных зеркал на вакуумной установке ВУ-600ИЛО можно внести корректировки, позволяющие значительно уменьшить влияние ошибок напыления первых слоев. Рассмотрим упомянутые корректировки подробнее: 30 Через «смотровое окно» установки в течение процесса мы можем наблюдать «свидетель» - стекло марки К8. На «свидетель» и на подложки одновременно наносится многослойное покрытие. К окончанию напыления 8-го слоя визуально можно оценить, присутствует ли ошибка напыления одного знака выше 1,5-2%: при данном угле наблюдения и отсутствующей ошибке «свидетель» должен выглядеть синим (что соответствует свету с длиной волны ≈450нм); при ошибке напыления со знаком «+» «свидетель» будет выглядеть голубым (≈480нм), при ошибке со знаком «-» - фиолетовым (≈420нм). В случае, если ошибка присутствует, необходимо пропорционально уменьшить (или увеличить) толщины всех последующих напыляемых слоев. Рассмотрим реальный процесс: К окончанию напыления 8-го слоя визуально была выявлена ошибка напыления со знаком «+» («свидетель» выглядит голубым (≈480нм), слои перепылены). В ходе процесса были внесены следующие корректировки: 1. С 9 по 14 слои включительно толщины слоев были пропорционально уменьшены в 1.03 раза относительно слоев 1-8. 2. С 15 по 19 слой включительно толщины слоев были пропорционально уменьшены в 1.03 раза относительно слоев 9-14. Спектры пропускания для зеркала с внесенными корректировками и для модели зеркала без корректировок представлены на рисунках 4.10 и 4.11 31 Рисунок 4.10. Сравнение спектров пропускания корректировками (красный) и без них (черный). зеркал с Рисунок 4.11. Сравнение главных минимумов спектров пропускания зеркал с корректировками (красный) и без них (черный). 32 Как видно из рисунка 4.11 корректировки себя полностью оправдывают: После внесения корректировок коэффициент пропускания зеркала для λ=632.8нм Tp≈0.165%, тогда как коэффициент пропускания зеркала без корректировок не проходит по требованиям (Tp≈0.195%). Такие эмпирически наработанные корректировки, существенно усложняют выполнение требований к фазовой анизотропии зеркал. Измерение фазовой анизотропии зеркал при данной конструкции установки внутри камеры невозможно. Ее значение измеряют на эллипсометрах. Для этого необходимо заполнить вакуумную камеру воздухом до атмосферного давления, выгрузить из нее зеркала. Только после всех этих операций проводят измерения фазовой анизотропии. И, в случае если её значение не проходит по требованиям, зеркала снова моют, загружают в камеру, откачивают камеру до определенного технологией вакуума и проводят исправление фазовой анизотропии методом допыления (исправление значения фазовой анизотропии методом допыления будет рассмотрено далее в параграфе 4.6). Весь этот процесс занимает несколько часов. Для того, чтобы существенно сократить затраты времени предлагается усовершенствовать установку, установив в неё фазовый поляриметр с вращающимся анализатором. Необходимость корректировать значения фазовой анизотропии зеркал также указывает на существенный недостаток установки – недостаточность используемого контроля толщин слоев наносимого покрытия. 4.5 Контроль фазовой анизотропии - фазовый поляриметр с вращающимся анализатором Как уже описывалось выше, по различным причинам, как-то: недостаточность кварцевого контроля с одним датчиком для рассматриваемых технологических процессов на установке ВУ-600ИЛО, 33 человеческий фактор при работе на установке (например, точность выставления предусмотренных технологией токов и напряжений оператором установки), и др.; возникают сложности с выполнением требований к значению фазовой анизотропии, предъявляемых к зеркалам для кольцевых лазерных гироскопов. Для того, чтобы существенно сократить затраты времени на корректировку значений фазовой анизотропии зеркал, предлагается рассмотреть возможность установки внутрь вакуумной камеры ВУ600ИЛО фазового поляриметра с вращающимся анализатором, описанный в [9]. На рисунке 4.12 приведена принципиальная схема фазового поляриметра. Рисунок 4.12. Принципиальная схема фазового поляриметра: 1 – источник излучения (стабилизированный по частоте He-Ne лазер); 2 – диафрагма; 3 – нейтральный светофильтр; 4 – светоделительный кубик; 5,9 – зеркала; 7-8 – поляризаторы; 6 – шаговый двигатель поворотного столика; 10 – вращающийся анализатор; 11,13 – фотоприёмные устройства; 12 – аналогово-цифровой преобразователь; 14 – персональный компьютер. 34 Оптическая схема построена так, что оба луча (один луч проходит через поляризатор 7, второй – через поляризатор 8) проходят через одну точку вращающегося анализатора 10 и далее попадают на разные фотоприемники 11 и 13. Сигналы с фотоприемников оцифровываются c помощью двухканального аналогово-цифрового преобразователя 12 и передаются в компьютер 14. Поляризатор 8 установлен в высокоточном поворотном механизме с шаговым двигателем 6, управляемым от компьютера 14. Это дает возможность проводить измерения при различной ориентации плоскости поляризации входного излучения. Отличие предлагаемого устройства от поляриметра [9] заключается в том, что зеркало 9 является не только элементом оптической схемы прибора, но и объектом измерения. Такое устройство, установленное внутри вакуумной камеры, позволило бы измерять значения фазовой анизотропии изготовляемых зеркал непосредственно в камере сразу после нанесения многослойного покрытия. То есть затраты времени на заполнение камеры воздухом до атмосферного давления, выгрузку зеркал, их мытье, загрузку обратно в камеру (в случае не выполнения требований к значению фазовой анизотропии), откачку камеры до необходимого вакуума, а также все прочие операции, оговоренные технологией производства, существенно бы сократились. 4.6 Корректировка значений фазовой анизотропии методом допыления Для защиты от разряда на многослойник наносится слой с низким коэффициентом преломления (для рассматриваемых в данной работе многослойников это слой SiO2), оптическая толщина которого равна λ/2. Такой слой не изменяет оптические характеристики зеркала. 35 Сущность метода допыления для корректировки значений фазовой анизотропии зеркал заключается в нанесении на многослойник дополнительного слоя с низким коэффициентом преломления. Изменяя его толщину, можно существенно изменять значение фазовой анизотропии зеркал. Зависимость значения фазовой анизотропии многослойника от толщины верхнего слоя SiO2 представлена на рисунке 4.13. Рисунок 4.13. Зависимость значения фазовой многослойника от толщины дополнительного слоя SiO2. анизотропии Согласно требованиям, предъявляемым к лазерным зеркалам, значение фазовой анизотропии должно лежать в диапазоне ±0.11 радиана (|∆|<0.11). Как видно из рисунка 4.13, значение фазовой анизотропии будет лежать в требуемом диапазоне при толщинах верхнего слоя, кратного λ/4. Данный слой напыляется равным λ/2 по двум причинам: вопервых, крутизна изображенной характеристики в окрестностях λ/4 в два раза выше, чем в окрестностях λ/2, т.е. оператору установки в два раза 36 труднее напылить слой необходимой толщины; во-вторых, при толщине верхнего слоя λ/4 получается просветляющее покрытие, что приводит к значительному увеличению коэффициента пропускания зеркала, а это недопустимо. Рассмотренные в параграфе 4.3 настоящей работы ошибки напыления приводят к необходимости исправления значения фазовой анизотропии. Возможны несколько вариантов: 1. Значение фазовой анизотропии ∆ больше 0.11; главный минимум спектра пропускания находится на длине волны 632.8 нм (назовем эту длину волны рабочей). 2. Значение фазовой анизотропии ∆ больше 0.11; главный минимум спектра пропускания находится правее рабочей длины волны. 3. Значение фазовой анизотропии ∆ больше 0.11; главный минимум спектра пропускания находится левее рабочей длины волны. 4. Значение фазовой анизотропии ∆ меньше -011; главный минимум спектра пропускания находится на длине волны 632.8. 5. Значение фазовой анизотропии ∆ меньше -0.11; главный минимум спектра пропускания находится правее рабочей длины волны. 6. Значение фазовой анизотропии ∆ меньше -0.11; главный минимум спектра пропускания находится левее рабочей длины волны. Как определить толщину дополнительного слоя, который нужно напылить, чтобы получить требуемое значение фазовой анизотропии |∆|<0.11? В случае, когда значение фазовой анизотропии меньше -0.11, расчет необходимой толщины не вызывает трудностей: при тех возможных ошибках, которые рассмотрены ранее, зависимость фазовой анизотропии от толщины слоя имеет практически линейный вид. И значение фазовой анизотропии увеличивается со скоростью 0.00(5) рад/нм оптической толщины слоя. Как показывает опыт использования установки ВУ- 600ИЛО, среднее время напыления четвертьволного слоя SiO2 для 37 рассматриваемых лазерных зеркал составляет около 18 минут. При такой скорости напыления значение фазовой анизотропии увеличивается со скоростью примерно 0.046 рад/мин. Зная эти данные, оператору установки не составляет труда рассчитать необходимое время «допыления» или же необходимую толщину дополнительного слоя. В случае, когда значение фазовой анизотропии больше 0.11, ситуация сложнее: необходимо обращать внимание на положение главного минимума спектра пропускания. Когда главный минимум спектра пропускания находится на 20нм левее рабочей длины волны, для корректировки значения фазовой анизотропии до требуемого значения, необходимо напылить дополнительный слой с оптической толщиной около 270нм, когда главный минимум на 20 нм правее рабочей длины волны – около 360нм (рис. 4.14). Рисунок 4.14. Зависимости значений фазовой анизотропии от толщины дополнительного слоя для различных положений главного минимума спектра пропускания (синий – главный минимум спектра пропускания левее рабочей длины волны, красный – правее, черный – на рабочей длине волны) 38 Такая разница в оптических толщинах дополнительного слоя весьма существенна. И оператору установки приходится проводить дополнительные расчеты, а чаще, полагаться на личный опыт. Что еще раз подтверждает целесообразность разработки устройства для измерения значения фазовой анизотропии внутри вакуумной камеры установки, принципиальная схема которого приведена в параграфе 4.5 настоящей работы. Приведем пример реального процесса: среднее значение фазовой анизотропии зеркал ∆ср составило -0,168. Главный минимум спектра пропускания приходился на длину волны около 640 нм. Было принято решение напылять дополнительный слой SiO2 в течении трех минут. После допыления среднее значение фазовой анизотропии зеркал ∆ср составило -0,01. Максимальное абсолютное значение фазовой анизотропии не превышало 0,03. 39 5 Экономическая часть Экономическая эффективность (эффективность производства) – это соотношение полезного результата и затрат факторов производственного процесса [10] К факторам производственного процесса относятся производительность труда, затраты сырья и капитала. В данном случае нас интересует производительность труда. Основным из показателей производительности труда на предприятии является показатель выработки. Выработка определяется отношением количества произведенной продукции к затратам рабочего времени на производство этой продукции. По имеющимся сведениям, затраты рабочего времени на один технологический процесс изготовления лазерных зеркал составляют около 15 часов. В среднем на каждые три процесса один требует корректировки значений фазовой анизотропии зеркал. Затраты рабочего времени на корректировку составляют около 5 часов. Таким образом, за один месяц при восьмичасовом рабочем дне и пятидневной рабочей неделе (примерно 160 часов) на данной установке можно выполнить 9 технологических процессов. А это составляет 171 лазерное зеркало (19 штук за один процесс). Если же производить измерение значений фазовой анизотропии непосредственно внутри рабочей камеры установки, то затраты рабочего времени на корректировку будут составлять около 0,5 часа. Таким образом, за месяц можно будет выполнять уже 10 технологических процессов, то есть изготавливать 190 зеркал. Что в процентном соотношении дает увеличение объема производства на 11%. С другой стороны, предприятие понесет траты на разработку такого устройства и модернизацию установки. Целесообразность же таких трат будет определяться разницей между доходами и расходами в данном случае. 40 Выводы: в случае реализации метода измерения значений фазовой анизотропии зеркал внутри рабочей камеры, описанного в параграфе 4.5, на установке ВУ-600ИЛО возможно увеличение объема производства на 11%. 41 6 Экологическая часть Очистка сточных вод. Для спуска производственных и хозяйственных вод предусматривают канализационные устройства. Канализация состоит из внутренних канализационных устройств, расположенных в здании, наружной канализационной сети (подземных труб, каналов, смотровых колодцев); насосных станций, напорных и самотечных коллекторов, сооружений для очистки, обезвреживания и утилизации сточных вод; устройства их выпуска в водоем. Канализование промышленных площадок осуществляют по полной раздельной системе. Все сточные воды предприятия должны подвергаться очистке от вредных веществ перед сбросом в водоем. Для выполнения этих требований применяют механические, химические, биологические, а также комбинированные методы очистки. Состав очистных сооружений выбирают в зависимости от характеристики и количества поступающих на очистку сточных вод, требуемой степени их очистки, метода использования их осадка и от других местных условий в соответствии со СНиП 2.04.03-85. В составе очистных сооружений должны предусматриваться решетки или решетки-дробилки, песколовки и песковые площадки, усреднители, отстойники, нефтеловушки, гидроциклоны, флотационные установки, илоуплотнители, биологические фильтры, аэротенки, сооружения для насыщения очищенных сточных вод кислородом и другие. Решетки должны иметь прозоры 16мм. Механизированная очистка решеток от отбросов предусматривается при количестве отбросов 0,1м3/сут. Песколовки тангенциальные производительностью до применяют 50 000м3/сут. для станций очистки Горизонтальные — 42 производительностью свыше 10 000м3/сут. Аэрируемые — производительностью свыше 20 000м3/сут. Отстойники выбирают с учетом производительности станций очистки сточных вод: вертикальные, горизонтальные, радиальные, двуярусные. Осветлители проектируют в виде вертикальных отстойников с внутренней камерой флокуляции с естественной аэрацией за счет разницы уровней воды в распределительной чаше и осветлителе. Нефтеловушки применяют для задержания нефтяных частиц при концентрации их в сточной воде более 100мг/л. Глубина проточной части 2м, ширина секции 3—6м, отношение длины к глубине 15—20. Гидроциклоны (открытые и напорные) применяют для отделения из сточных вод оседающих и грубодисперсных примесей. Открытые гидроциклоны используют трех типов: гидроциклоны без внутренних устройств для выделения из сточных вод крупно- и мелкодисперсных примесей гидравлической крупностью 5мм/с и более; гидроциклоны с диафрагмой и многоярусные (при расходе 200м3/сут на один аппарат) для выделения из сточных вод примесей крупностью 0,2мм/с и более, а также нефтепродуктов. Флотационные установки (импеллерные и напорные) применяют для удаления из сточных вод нефтепродуктов, жиров, волокон минеральной ваты, асбеста, шерсти и других нерастворимых в воде веществ. Импеллерные флотационные установки используют для удаления из воды грубодисперсных примесей, напорные — для удаления из воды тонкодисперсных примесей. Илоуплотнители применяют двух типов: вертикальные и радиальные. Данные для расчета илоуплотнителей берут из СНиП 2.04.03-85. Биологические фильтры (капельные и высоконагружаемые) используют для очистки сточных вод на станциях производительностью не 43 более 1 000м3/сут; высоконагружаемые биофильтры — на станциях производительностью до 50 000м3/сут. Аэротенки (смесители, вытеснители, промежуточного типа и отстойники) применяют для полной и неполной биологической очистки сточных вод. Выводы: система очистки сточных вод позволяет возвращать в окружающую среду воду, используемую для охлаждения различных систем установки, не причиняя ей вреда, либо снова использовать для технологических процессов. 44 7 Охрана труда Охрана труда - система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, социально-экономические, включающая в себя организационно-технические, правовые, санитарно- гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Условия труда - совокупность факторов производственной среды и трудового процесса, оказывающих влияние на работоспособность и здоровье работника. Вредный производственный фактор - производственный фактор, воздействие которого на работника может привести к его заболеванию. Опасный производственный фактор - производственный фактор, воздействие которого на работника может привести к его травме [11]. 7.1 Электробезопасность Электробезопасность - система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества (ГОСТ 12.1.009-76 (1999)). Воздействие электрического тока на человека Виды травм, связанных с воздействием электрической энергии на человека, могут быть различны по тяжести и зависят от ряда факторов, в том числе от физического состояния живого организма, эмоционального и физического напряжения, рода и частоты электротока, пути протекания электротока, схемы включения тела человека в электросеть. Проходя через организм человека, электрический ток оказывает термическое, электролитическое и биологическое действия в организме. 45 Биологическое действие тока на тело человека проявляется раздражением и возбуждением живых тканей, что сопровождается непроизвольным судорожным сокращением мышц лёгких и сердца. Это ответные реакции биоэлектрических организма, процессов, которые обусловлены протекающих в нарушением организме человека. Раздражающее действие тока на ткани организма может быть прямым или непрямым. Прямое действие обусловлено прохождением тока непосредственно через ткани, испытывающие раздражение. Непрямое, или рефлекторное, действие проявляется в возбуждении тканей, по которым ток не протекает. Поражение человека электротоком бывает двух видов: 1. В виде электротравм, которые могут быть в виде местного повреждения тканей человека, ожогов кожи, механических повреждений, ослеплении (электроофтальмия), ожога электродугой электродугой (температура более 3500оС); 2. В виде электроударов, которые возникают при прохождении электротока через тело человека. При этом изменяется состав крови, возможны разрывы мышц и нервов, приводящие к параличам. По тяжести электроудары подразделяются на 4 степени: 1 степень - судороги; 2 степень - судороги с потерей сознания; 3 степень - потеря сознания с остановкой дыхания; 4 степень - клиническая смерть (отсутствует дыхание и сердечная деятельность). Электрический ток по степени ощущения органами человека классифицируется: Условно безопасными, т.е. в течение нескольких часов не ощущающиеся и не наносящие вред человеку, считаются электротоки: 46 постоянные, с силой до 100 мкА; переменные (50 Гц), с силой до 50 мкА. Порог ощутимости электротока принят: для постоянного, с силой примерно 5-7 мА (ощущение тепла); для переменного (50 Гц), с силой примерно 1 мА (ощущение покалывания). Неотпускающий электроток, сопровождаемый ощущением боли и вызывающий судорожное сокращение мышц, возникает: для постоянного, при силе 50-80 мА; для переменного (50 Гц), при силе 10-15 мА. Электроток, приводящий к остановке сердца, называют фибрилляционным. Предельно допустимые напряжения прикосновений и токов содержатся в (ГОСТ 12.1.038-82) Последствия воздействия электрического тока на организм Клиническую смерть вызывает постоянный электроток силой 90–100 мА. Переменный ток силой 100 мА может вызвать остановку сердца и паралич дыхания при продолжительности воздействия более 3-х секунд. Переменный электроток силой более 300 мА вызывает паралич дыхания и сердца при длительности воздействия более 0,1 секунды. Кратковременное воздействие переменного тока с частотой более 500 кГц не сопровождается электроударом (не вызывает остановку работы сердца и лёгких), но приводит к электротравмам. Постоянный электроток чаще вызывает ожоги и приводит к смертельному исходу. Наиболее опасен переменный ток с частотой 20-100 Гц, ток с частотой менее 20 Гц и более 100 Гц представляет меньшую опасность. Угроза поражения электрическим током возрастает с увеличением продолжительности его воздействия на человека. Сопротивление тела 47 человека протеканию электротока уже через 30 секунд уменьшается примерно на 25%, а через 90 секунд – на 70%. Воздействие электротока зависит от точки прикосновения, т.е. от сопротивления участка кожи. В среднем расчётное сопротивление человека принято считать равным 1000 Ом, но язык, например, имеет сопротивление до 100 Ом, а ороговевшие участки кожи могут иметь 10 и более кОм. На коже человека есть очень чувствительные точки электрорецепторы, имеющие сопротивление менее 100 Ом. Максимальной чувствительностью обладает спинной мозг, имеющий сопротивление не более 0,5 Ом. Воздействие статического напряжения Элементы компьютерной техники в ходе эксперимента создают статическое электричество. Статическое электричество — явление, при котором на поверхности и в объёме диэлектриков, проводников и полупроводников возникает и накапливается свободный электрический заряд. Для предотвращения образования и защиты от статического электричества использeтся: 1. Контурное заземление — изменение электрического заряда на проводящих элементах корпуса оборудования через подключение к шине заземления. Контурное заземление присутствует на всех использующихся в работе электроприборах. 2. Ионизация воздуха. Насыщение воздуха положительными и отрицательными ионами в местах генерирования и скоплении электрических зарядов. Установленные в рабочем помещении кондиционеры с функцией ионизации воздуха, генерируют около 20 000 отрицательных ионов на куб.см воздуха в помещении, что обеспечивает необходимый уровень насыщения воздуха. 3. Регулярно проводится влажная уборка. Допустимые уровни напряженности электростатических полей для ПЭВМ не должны превышать 10 кВ/м. 48 Для обеспечения электробезопасности обязательно должны соблюдаться требования ПУЭ (правил устройства электроустановок, утверждены приказом Минэнерго России от 9.04.2003 г. № 150) и Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей (утверждены Министерством энергетики 13 января 2003 г., №6). В стационарных электроустановках трехфазного тока в сети с заземленной нейтралью или заземленным выводом однофазного источника питания электроэнергией, а также с заземленной средней точкой в трехпроводных сетях постоянного тока должно быть выполнено зануление. Защитное зануление должно обеспечивать защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции. Зануление следует выполнять электрическим соединением металлических частей электроустановок с заземленной точкой источника питания электроэнергией при помощи нулевого защитного проводника (согласно ГОСТ 12.1.030-81 (2001)). Защитное действие зануления заключается в автоматическом отключении участка цепи с поврежденной изоляцией и одновременно - в снижении потенциала корпуса на время от момента замыкания до момента отключения. Таким образом, зануление обеспечивает защиту от поражения электрическим током при замыкании на корпус благодаря ограничению времени прохождения тока через тело человека и снижению напряжения прикосновения. На рисунке 7.1 изображена принципиальная схема защитного зануления. 49 Рисунок 7.1. Схема защитного зануления: Ф1, Ф2, Ф3 – фазные провода; МЗ – магистраль зануления; НЗП – нулевой защитный проводник. Проведем расчет для определения номинала автомата защиты, необходимого для включения в цепь питания ПЭВМ с целью обеспечения электробезопасности. l1 – расстояние от питающего трансформатора, l1 = 600 м; l2 – расстояние от фазного провода до потребителя, l2 = 80 м; l3 – длина НЗП, l3 = 43 м; ρ – удельное сопротивление проводника, ρ1 = ρ2 = 0,028 Ом∙м (алюминий), ρ3 = 0,0175 Ом∙м (медь); S – площадь поперечного сечения проводников, S1 = S2 = 2,5 мм2, S3 = 0,5 мм2; Uф – фазное напряжение, зависящее от типа сети, Uф = 220 В; RT – сопротивление обмоток трансформатора, RT = 0,412 Ом; Rчел – среднее сопротивление человека, Rчел = 1 кОм = 1∙103 Ом; k - коэффициент надежности, k=3 для тепловых автоматов и предохранителей 50 R1 1 2l1 13,44 Ом , S1 R2 2 l l2 0,9 Ом , RНЗП 3 3 1,51 Ом; S3 S2 полное сопротивление цепи Rпол R1 R2 RНЗП 15,85Ом; ток короткого замыкания I кз Uф RT Rпол 3 13,76 А; при попадании фазы на зануленный корпус электроустановки должно произойти автоматическое отключение, тогда I ном Допустимое время воздействия тока I кз 4,59 А . k I чел I кз RНЗП 20,8 мА Rчел на человека составляет tдоп = 50/20,8 ≈ 2,4 секунды. Выводы: Таким образом, в качестве прибора защитного отключения в цепь питания ПЭВМ должен быть включен автоматический выключатель рассчитанный на 3А. 7.2 Микроклимат в рабочей зоне Микроклимат в рабочем помещении оказывает непосредственное влияние на самочувствие работников. В соответствии с СанПиН 2.2.4.54896 и ГОСТ 12.1.005-88 (2001): Оптимальные нормы для рабочего места: В холодный и переходный периоды года: - Температура 20-23 оС - Относительная влажность 40-60% - Скорость движения воздуха не более 0,2 м/с В теплый период года: - Температура 22-25оС - Относительная влажность 40-60% - Скорость движения воздуха не более 0,2 м/с Допустимые нормы для рабочего места: 51 В холодный и переходный периоды года: - Температура 19-25оС - Относительная влажность не более 75% - Скорость движения воздуха не более 0,2 м/с В теплый период года: - Температура 23-28оС - Относительная влажность не более 55% (при 28оС) - Скорость движения воздуха не более 0,5 м/с Отклонение от указанных норм создает дискомфорт, вызывает быструю утомляемость человека. Основные средства, поддерживающие микроклимат – отопительная система и система вентиляции. Отопительная система должна компенсировать потерю теплоты через строительные ограждения, а так же нагрев воздуха, поступающего в помещение в холодное время года. Вентиляционные системы должны соответствовать нормам, оговоренным в ГОСТ 12.1.005-88 (2001) "Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны". По имеющимся данным, кондиционирование воздуха может повысить производительность труда на 4-10%. Другой путь обеспечения воздухообмена может быть достигнут установлением в оконных рамах автономных кондиционеров. Режим работы кондиционера должен обеспечить максимально возможное поступление наружного воздуха, но не менее 50% от производительности кондиционера. В целях исключения влияния на микроклимат солнечной радиации и создания равномерного естественного освещения необходимо предусмотреть для окон солнцезащитные регулируемые устройства, типа жалюзи, расположенные снаружи или в межстекольном пространстве. Также крайне важным фактором является качественный состав воздуха, концентрации загрязняющих и вредных веществ должны соответствовать ГН 2.2.5.1313-03 и ГН 2.2.5.1314-03. Это концентрации, которые при 52 ежедневном 8-ми часовом рабочем дне и в течение всего рабочего стажа не вызывают заболеваний и отклонений состояния здоровья. В производственных использованием ПЭВМ помещениях, является в которых вспомогательной, работа с температура, относительная влажность и скорость движения воздуха на рабочих местах должны соответствовать действующим санитарным нормам микроклимата производственных помещений. В производственных помещениях, в которых работа с использованием ПЭВМ является основной (диспетчерские, операторские, расчетные, кабины и посты управления, залы вычислительной техники и др.) и связана с нервно-эмоциональным напряжением, должны обеспечиваться оптимальные параметры микроклимата для категории работ 1а и 1б в соответствии с действующими санитарно- эпидемиологическими нормативами микроклимата производственных помещений. На других рабочих местах следует поддерживать параметры микроклимата на допустимом уровне, соответствующем требованиям указанных в СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 нормативов. Выводы: помещение, в котором проводилась данная работа, оборудована системой кондиционеров, окна приточно-вытяжной оборудованы вентиляции, системой межстекольными жалюзи. Качественный состав воздуха соответствует санитарным нормам и правилам. Таким образом, микроклимат в рабочей зоне подходит для нормальной работоспособности сотрудников. 7.3 Пожарная безопасность Пожарная безопасность объекта - состояние объекта, при котором с регламентируемой вероятностью исключается возможность возникновения и развития пожара и воздействия на людей опасных факторов пожара, а также обеспечивается защита материальных ценностей. 53 Правила пожарной безопасности комплекс - положений, устанавливающих порядок соблюдения требований и норм пожарной безопасности при строительстве и эксплуатации объекта (ГОСТ 12.1.03381 (2001)) Классификация зданий, сооружений и помещений по пожарной и взрывопожарной опасности применяется для установления требований пожарной безопасности, направленных на предотвращение возможности возникновения пожара и обеспечение противопожарной защиты людей и имущества в случае возникновения пожара в зданиях, сооружениях и помещениях. По пожарной производственного и и взрывопожарной складского опасности назначения помещения независимо от их функционального назначения подразделяются на следующие категории: 1) повышенная взрывопожароопасность (А); 2) взрывопожароопасность (Б); 3) пожароопасность (В1 - В4); 4) умеренная пожароопасность (Г); 5) пониженная пожароопасность (Д). К категории А относятся помещения, в которых находятся (обращаются) горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28 градусов Цельсия в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 килопаскалей, и (или) вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом, в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 килопаскалей. К категории Б относятся помещения, в которых находятся (обращаются) горючие пыли или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки более 28 градусов Цельсия, горючие 54 жидкости в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пылевоздушные или паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 килопаскалей. К категориям В1 - В4 относятся помещения, в которых находятся (обращаются) горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие и трудногорючие вещества и материалы (в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть, при условии, что помещения, в которых они находятся (обращаются), не относятся к категории А или Б. Отнесение помещения к категории В1, В2, В3 или В4 осуществляется в зависимости от количества и способа размещения пожарной нагрузки в указанном помещении и его объемно-планировочных характеристик, а также от пожароопасных свойств веществ и материалов, составляющих пожарную нагрузку. К категории Г относятся помещения, в которых находятся (обращаются) негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени, и (или) горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива. К категории Д относятся помещения, в которых находятся (обращаются) негорючие вещества и материалы в холодном состоянии (статья 27 Федерального закона от 22.07.2008 N123-Ф3 (ред. от 10.07.2012)) На каждом объекте должны быть разработаны инструкции о мерах пожарной безопасности для каждого взрывопожароопасного и пожароопасного участка (мастерской, цеха и т. п.) в соответствии с приложением № 1 ППБ 01-03 55 Все работники только после организаций прохождения должны допускаться противопожарного к работе инструктажа, а при изменении специфики работы проходить дополнительное обучение по предупреждению и тушению возможных пожаров в порядке, установленном руководителем. Пожарные краны, огнетушители и другая пожарная техника для защиты объектов должна соответствовать (ГОСТ 12.1.004-91 с измен. 21.10.1993 г). Так, огнетушители должны размещаться в легкодоступных и заметных местах, где исключено попадание на них прямых солнечных лучей и непосредственное (без заградительных щитков) воздействие отопительных и нагревательных приборов. Выводы: помещение, в котором производились расчеты данной работы, можно отнести к классу Д, помещение оборудовано переносными огнетушителями и отвечает всем требованиям пожарной безопасности. 56 8 Выводы По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы: Для выполнения требований к коэффициенту потерь лазерного зеркала ошибка в толщинах слоев не должна превышать 1,5%. Используемый в установке ВУ-600ИЛО контроль толщин осаждаемых пленок может обеспечить точность нанесения покрытий около 3%, что является недостаточным. Также недостаточность используемого контроля приводит к необходимости вносить в ходе технологических процессов эмпирически наработанные корректировки. Значения фазовой анизотропии зеркал можно корректировать, увеличивая толщину последнего защитного слоя – слоя SiO2. При этом ухудшение характеристик зеркала минимально. Теоретически в работе описан метод, который дополняет используемый контроль и позволяет измерять значения фазовой анизотропии зеркал, не извлекая их из рабочей камеры установки. Данный метод позволяет существенно сократить затраты времени на корректировку значений фазовой анизотропии, снизить риск повреждения покрытий, избежать загрязнения поверхности зеркал (все загрязнения на поверхности зеркала при допылении будут покрыты дополнительным слоем SiO2 и станут неустранимыми). В заключение я бы хотел выразить благодарность за руководство и всевозможную помощь при выполнении данной работы: - Азаровой В.В. - Расеву М.М. - Сысоеву А.А. - Фокину В.В. И всему коллективу отдела 480. 57 9 Список использованных источников 1. K.Starke, D.Ristau, High Stability Coatings by Employing Gradient Index Designs, 54th Annual technical Conference Proceedings, Chicago, IL April 16-21, 2011. 2. Ю.Панфилов, Нанесение тонких пленок в вакууме, Технологии в электронной промышленности, №3’2007. 3. C J. Stolz, F. Y. Genin, M. R. Kozlowksi, D. Long, R. Lalazari, Z. L. Wu, and P. K. Kuo, Influence of Microstructure on Laser Damage Threshold of IBS Coatings, Symposium on Optical Materials for High Power Lasers, Orlando, FL, 1996. 4. William H., Randolph L., Deposition of multiple layer thin films using a broadband spectral monitor, United States Patent 5425964, 1995. 5. Stockbridge, C. D., в кн. “Vakuum Microbalance Tehniques”, vol. 5, p. 231, Plenum Pres, New York, 1966. 6. В.Азарова, «Многослойные лазерные диэлектрические зеркала. (Расчет поляризационных характеристик для зеркал косого падения)», МИЭМ, М. 2012. 7. М.Борн и Э.Вольф, «Основы оптики», «Наука», М. 1970. 8. П.Х.Бернинг, «Физика тонких пленок», т.1, «Мир», М.,1967. 9. Г.Н.Вишняков, Г.Г. Левин, А.Г.Ломакин, Измерение разности фаз двулучепреломляющего материала на фазовом поляриметре с вращающимся анализатором, Измерительная техника №6, 2011. 10. Щербаков А. И. Совокупная производительность труда и основы её государственного регулирования. Монография. М..- М.: Издательство РАГС.- 2004.- С. 15. 11. Статья 209 ТК РФ 30 декабря 2001 года N 197-ФЗ. 12. ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000 Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. 13. СНиП 2.04.03-85Канализация. Наружные сети и сооружения 58 14. ГОСТ 12.1.009-76 (1999) Электробезопасность. Термины и определения. 15. ГОСТ 12.1.038-82 Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновений и токов. 16. ГОСТ 12.1.030-81 (2001) Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление. 17. СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. 18. ГОСТ 12.1.005-88 (2001) Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. 19. ГН 2.2.5.1313-03 Гигиенические нормативы. Предельно допустимые концентрации (пдк) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. 20. ГН 2.2.5.1314-03 Ориентировочные безопасные уровни воздействия вредных веществ в воздухе рабочей зоны. 21. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 персональным Гигиенические электронно-вычислительным требования к машинам и организации работы. 22. ГОСТ 12.1.033-81 (2001) Пожарная безопасность. Термины и определения. 23. Статья 27 Федерального закона от 22.07.2008 N123-Ф3 (ред. от 10.07.2012). 24. ППБ 01-03 Правила пожарной безопасности в Российской Федерации. 25. ГОСТ 12.1.004-91 с измен. 21.10.1993 г Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования. 59 10 Приложения Приложение 1. Листинг программы в среде MathCAD ORIGIN 0 i n: 0 - воздух, y+1 - подложка 2m+1 – слой с высоким коэффициентом преломления (Н ) 2m – слой с низким коэффициентом преломления (L) 1 1 632.8 y 19 0 400 w 550 y – число слоев 1 - шаг спектра в нм λ 0 – начало спектра w – число рассчитываемых точек 0 Задаем коэффициенты преломления с учетом спектра n 224 624 225 625 226 626 227 627 228 628 229 629 230 630 231 631 232 632 233 633 234 634 235 635 236 636 237 637 238 638 239 ... j k s1 1.473 6 s2 0.00366 10 for k 0 w 0 k 12 s3 0.00002 10 k y1 1.544 t1 2.269 6 t2 0.02396 10 12 t3 0.00588 10 for k 0 w for j 0 ( y 1) 2 0 k j n 0 k 1 s1 n 2 j k n 2 j 1 k n y 1 k s2 s3 j2 j4 t1 y1 t2 t3 j2 j4 s2 s3 j2 j4 n Задаем углы падения/преломления for k 0 w for j 0 y 0 k 4 nj k j 1 k asin nj 1 k sin 60 632.8 hti hsi 4 2.366 cos ( 0.304) hti 70.077 632.8 hsi 121.44 4 1.482 cos ( 0.497) for k 0 w ( y 1) for j 0 1 1 2 2 j k 2 2 j 1 k L hsi n 2 j k cos 2 j k k 2 H hti n 2 j 1 k cos 2 j 1 k k 1 p for k 0 w for j 0 y p1 p1 j k n y 1 k j k cos j k ny k sin y k n 1 y 1 k n y 1 k 2 p1 q for k 0 w for j 0 y cos q1 j k q1 y 1 k n j k j k ny k sin y k 1 n y 1 k n 2 y 1 k q1 E for k 0 w E1 i cos 1 k p sin 1 k 1 k i p sin cos 1 k 1 k 1 k k 0 for j 2 y Ez k j E1 E1 k 0 i cos j k p sin j k j k i p sin cos j k j k j k E1 k 0 Ez k j 61 M for k 0 w i cos 1 k q sin 1 k 1 k i q sin cos 1 k 1 k 1 k M1 k 0 for j 2 y Mz k j M1 k 0 i cos j k q sin j k j k i q sin cos j k j k j k M1 Mz k 0 k j M1 rte for k 0 w Ek 0 p 0 k Ek 0 p y 1 k Ek 0 p 0 k p y 1 k Ek 0 0 0 1 1 0 1 1 0 rte1 k E p E p E p p E k 0 0 k k 0 y 1 k k 0 0 k y 1 k k 0 0 0 1 1 0 1 1 0 rte1 rtm for k 0 w Mk 0 q0 k Mk 0 qy 1 k 0 0 1 1 rtm1 k M q M q k 0 0 k k 0 y 1 k 0 0 1 1 Mk 0 q0 k qy 1 k Mk 0 0 1 1 0 Mk 0 q0 k qy 1 k Mk 0 0 1 1 0 rtm1 tte for k 0 w 2 p tte1 k 0 k Ek 0 p 0 k Ek 0 p y 1 k Ek 0 p 0 k p y 1 k Ek 0 0 0 1 1 0 1 1 0 tte1 ttm for k 0 w 2q ttm1 k 0 k Mk 0 q0 k Mk 0 qy 1 k Mk 0 q0 k qy 1 k Mk 0 0 0 1 1 0 1 1 0 ttm1 62 Rs for k 0 w Rte1 k Rp for k 0 w rte k 2 Rtm1 k Rte1 Ts Rtm1 for k 0 w Tte1 k Tp tte k 2 p for k 0 w y 1 k p Ttm1 k 0 k Tte1 100 rs rp Im rte k Re rte k rte1 atan k k 2 q y 1 k q 0 k for k 0 w Im rtmk Re rtmk rtm1 atan k rte1 rtm1 r for k 0 w r1 ttm Ttm1 100 for k 0 w rtmk 2 k rs k rp for k 0 w rte r1 k r1 k rte k k rtm k rtm k r1 δ L, δ H – множители толщин слоев =1 – слои без ошибок <1 - недопыление l 0 h 0 L 1 l 100 H 1 h ξ l – процент к слою L ξ h – процент к слою H 100 100 80 60 Tp Ts 40 20 0 400 460 520 580 640 700 760 820 880 940 110 3 63