устройство для нанесения многослойных оптических покрытий

Формула изобретения

1. Устройство для нанесения многослойных оптических покрытий, содержащее вакуумную камеру и размещенную в ней мишень, формирователь ионного пучка, выполненный с возможностью формирования ионного пучка в вакуумной камере, подачи его на мишень, распыления частиц материала мишени, создания и направления потока их для формирования пленки на подложке, находящейся в вакууме, формирователь потока активного газа, выполненный с возможностью формирования потока активного газа/активных частиц активного газа в вакуумной камере, отличающееся тем, что дополнительно снабжено размещенной в вакуумной камере второй мишенью и формирователем ионного пучка, выполненным с возможностью формирования ионного пучка в вакуумной камере, подачи его на мишень, распыления частиц материала мишени, создания и направления потока их для формирования пленки на подложке, размещенным в вакуумной камере многоканальным загрузочным портом с находящимися в нем подложками, причем пары формирователь ионного пучка и мишенв расположены по разные стороны многоканального загрузочного порта е возможностью формирования слоя из материала распыляемых частиц на рабочих поверхностях подложек, установленных в многоканальной загрузочном порту с ориентацией рабочей поверхности к той или иной паре формирователь ионного пучка и мишень, при этом формирователь потока активного газа выполнен с возможностью формирования более одного потока и осуществления подачи потоков активных частиц активного газа на разные стороны многоканального загрузочного порта, по направлению к рабочим поверхностям подложек, многоканальный загрузочный порт выполнен с возможностью изменения положения подложек и переориентации их рабочих поверхностей относительно пар формирователь ионного пучка и мишень, причем в каждой паре мишени распыляемого материала выполнены в виде элементов, составляющих блок мишеней с возможностью их взаимной смены или смены на предназначенную для очистки мишень, отражающую ионы от формирователя ионного пучка в направлении многоканального загрузочного порта к рабочим поверхностям подложек, а также снабжено блоком автоматизированного управления, который электрически связан с формирователями ионных пучком, блоками мишеней, формирователем потоков активного газа и многоканальным загрузочным портом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что две пары формирователь ионного пучка и мишень, формирователь потоков активного газа и многоканальный загрузочный порт с находящимися в нем подложками образуют функциональный узел - систему напыления, а две пары формирователь ионного пучка и отражающая мишень и многоканальный загрузочный порт с находящимися в нем подложками образуют второй функциональный узел - систему финишной очистки, причем системы связаны электрически с блоком автоматизированного управления.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый формирователь ионного пучка состоит из источника ионов, индивидуального резервуара рабочего газа, соединенного с источником ионов посредством трубки, или источника ионов, соединенного посредством трубок с одним, общим, резервуаром рабочего газа, при этом источник/источники ионов размещен/размещены в вакуумной камере, а формирователь потоков активного газа состоит из источников активного газа и резервуара/резервуаров активного газа, при этом источники активного газа размещены в вакуумной камере и соединены с резервуаром/резервуарами активного газа посредством трубок, многоканальный загрузочный порт состоит из корпуса, каналов загрузки и датчиков толщины слоя, находящихся в близи корпуса в потоках распыленных частиц материала мишени и активного газа/активных частиц активного газа, подаваемых относительно сторон многоканального загрузочного порта к рабочим поверхностям подложек, при этом канал загрузки выполнен в виде полированной трубы, в которую вварена вставка с полостью и выполненным в ней держателем для установки подложки, канал снабжен закрывающими его экранами с прорезями в сторону мишеней, между экранами размещены заслонки, для осуществления вращательного движения канала с целью изменения положения подложки и переориентации ее рабочей поверхности относительно пар формирователь ионного пучка и мишень он снабжен приводом и шестеренками, для выдвижения канала из вакуумной камеры с целью извлечения подложки канал снабжен приводом, муфтой и винтом, в корпусе выполнена камера обработки, предназначенная для очистки рабочей поверхности подложек посредством высокочастотного плазменного разряда, снабженная резервуаром плазмообразующего газа и соединительной трубкой, а также форвакуумным насосом с трубкой, корпус многоканального загрузочного порта герметично соединен с фланцем, установленным на вакуумной камере, в корпусе также выполнено уплотнение Вильсона для герметизации каналов, вакуумная камера выполнена с возможностью откачки высоковакуумным насосом через трубопровод.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый формирователь ионного пучка состоит из источника ионов, индивидуального резервуара рабочего газа, соединенного с источником ионов посредством трубки, или источника ионов, соединенного посредством трубок с одним, общим, резервуаром рабочего газа, при этом источник/источники ионов размещен/размещены в вакуумной камере, а формирователь потоков активного газа состоит из источников активного газа, резервуара/резервуаров активного газа, источники активного газа соединены с резервуаром/резервуарами активного газа посредством трубок, при этом источники активного газа размещены в вакуумной камере, многоканальный загрузочный порт состоит из корпуса, каналов загрузки и датчиков толщины слоя, находящихся в близи корпуса в потоках распыленных частиц материала мишени и активного газа/активных частиц активного газа, подаваемых относительно сторон многоканального загрузочного порта к рабочим поверхностям подложек, при этом канал загрузки выполнен в виде полированной трубы, в которую вварена вставка с полостью и выполненным в ней держателем для установки подложки, канал снабжен закрывающими его экранами с прорезями в сторону мишеней, между экранами размещены заслонки, для осуществления вращательного движения канала с целью изменения положения подложки и переориентации ее рабочей поверхности относительно пар формирователь ионного пучка и мишень он снабжен приводом и шестеренками, для выдвижения канала из вакуумной камеры с целью извлечения подложки канал снабжен приводом, муфтой и винтом, в корпусе выполнена камера обработки, предназначенная для очистки рабочей поверхности подложек посредством высокочастотного плазменного разряда, снабженная резервуаром плазмообразующего газа и соединительной трубкой, а также форвакуумным насосом с трубкой, корпус многоканального загрузочного порта герметично соединен с фланцем, установленным на вакуумной камере, в корпусе также выполнено уплотнение Вильсона для герметизации каналов, вакуумная камера выполнена с возможностью откачки высоковакуумным насосом через трубопровод.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что камера обработки выполнена в виде зоны в корпусе с электродами для инициирования плазменного разряда в полости вставки, выполненными на противоположных сторонах корпуса с возможностью их изолирования от корпуса изоляторами, и электродов для подведения ВЧ электрической мощности, изготовленных в виде колпачков на электродах, инициирующих плазменный разряд, камера обработки снабжена уплотнениями Вильсона, выполненными между вставкой и корпусом в нижней и верхней части, предназначенными для обеспечения ее герметичности, как по отношению к атмосферному давлению, так и по отношению к высокому вакууму в камере.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок мишеней, содержащий мишени распыляемого материала и отражающую мишень, снабжен приводом вращения.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок мишеней, содержащий мишени распыляемого материала и отражающую мишень, снабжен приводом вращения.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок мишеней, содержащий мишени распыляемого материала и отражающую мишень, снабжен приводом вращения.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок мишеней, содержащий мишени распыляемого материала и отражающую мишень, снабжен приводом вращения.

10. Устройство по любому из пп.1-4, или 6-9, отличающееся тем, что блок автоматизированного управления выполнен в составе персонального компьютера с инсталлированной программой напыления, модуля питания, модуля управления заслонками, модуля мониторинга и модуля управления приводами, при этом модуль питания, модуль управления заслонками, модуль мониторинга и модуль управления приводами связаны с системами напыления и финишной очистки, а также указанные модули, кроме модуля питания, электрически связаны с персональным компьютером через порт интерфейса, причем модуль питания выполнен в составе двух блоков питания формирователей ионного пучка, электрически связанных с ними, и высоковольтного блока питания для отражающей мишени, электрически связанного с ней, модуль управления заслонками выполнен в составе пневмореле и связанного с ним блока управления прерывателями, который связан с портом интерфейса персонального компьютера, для управления пневмореле связано с заслонками каналов многоканального загрузочного порта, а для контроля положения заслонок выполнена их связь с блоком управления прерывателями, устройство мониторинга выполнено в составе двух мониторов, каждый из которых связан через интерфейс с персональным компьютером, а также каждый монитор связан с датчиком толщины слоя, модуль управления приводами выполнен в составе плат управления, каждая из которых связана через порт интерфейса с персональным компьютером и с управляемым ею приводом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии изготовления оптических элементов и может быть использовано для нанесения покрытий на элементы лазерной оптики, активные лазерные кристаллы и нелинейно оптические кристаллы (НОК), и в частности, для создания просветляющих и отражающих покрытий на торцевых поверхностях полупроводниковых лазеров.

Известно устройство для нанесения многослойных оптических покрытий (патент США №4915810, МПК: С23С 14/34), содержащее вакуумную камеру и размещенную в ней мишень, формирователь ионного пучка, выполненный с возможностью формирования ионного пучка в вакуумной камере, подачи ионного пучка на мишень, распыления частиц материала мишени, создания и направления потока их для формирования пленки на подложке, находящейся в вакууме. Мишень выполнена в виде матрицы наносимых на подложку материалов, представляющей собой диск, снабженный выемками цилиндрической формы двух сортов, характеризующимися большим и меньшим диаметром при одинаковой глубине выемок, с расположением в центре диска выемки большего диаметра, в радиальном направлении после которого последовательно выполнены кольцеобразная дорожка выемок меньшего диаметра, кольцеобразная дорожка выемок большего диаметра, и наконец, кольцеобразная дорожка чередующихся выемок меньшего и большего диаметра, при этом величина центрального угла со сторонами, проходящими через центры ближайших выемок одинакового диаметра равна 45°, а величина центрального угла со сторонами, проходящими через центры ближайших выемок разного диаметра равна 22,5°, с размещенными в выемках вставками из материалов, наносимых в виде пленок на подложку. Формирователь ионного потока выполнен в виде размещенной в камере ионной пушки, которая снабжена сеткой, причем конфигурация отверстий сетки подобрана с учетом конфигурации выемок мишени.

Недостатками известного устройства являются, во-первых, низкая производительность технологического процесса, во-вторых, недостаточно высокая воспроизводимость процесса нанесения покрытий в непрерывном технологическом процессе.

При осуществлении посредством существующего оборудования метода ионно-лучевого распыления-осаждения характерна низкая скорость нанесения слоев, и, как следствие, низкая производительность. Для увеличения скорости нанесения прибегают к тому, что подложки приближают к мишени на минимально возможное расстояние.

Однако это приводит к увеличению неоднородности нанесения покрытия. При требуемой однородности (допустимая неоднородность обычно не более 2%) рабочая площадь нанесения может составлять всего лишь несколько квадратных сантиметров, что существенно ограничивает апертуру оптического элемента, на которую можно нанести достаточно однородное оптическое покрытие, или уменьшает объем технологической загрузки (количества оптических элементов, напыляемых одновременно в одном процессе). Таким образом, приближение подложки к мишени не решает проблемы повышения производительности для известного технического решения.

Невысокая воспроизводимость процесса нанесения покрытий связана с невозможностью осуществления термостабилизации мишени при проведении процесса нанесения покрытия в непрерывном режиме. Для достижения высокой точности нанесения слоев (воспроизводимости по толщине) требуется термостабилизация мишени, поскольку она подвергается тепловому воздействию со стороны ионного пучка. Отсутствие термостабилизации мишени приводит к снижению точности нанесения слоев на 10%. Для термостабилизации мишени необходимо прерывание технологического процесса на 10-15 мин.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для нанесения многослойных оптических покрытий (патент США №6063244, МПК: С23С 19/34), содержащее вакуумную камеру и размещенную в ней мишень, формирователь ионного пучка, выполненный с возможностью формирования ионного пучка в вакуумной камере, подачи ионного пучка на мишень, распыления частиц материала мишени, создания и направления потока их для формирования пленки на подложке, находящейся в вакууме, экран, установленный на пути отраженного ионного пучка от мишени для сбора отраженной части ионного пучка от мишени, порт откачки газов из камеры, соединенный с экраном, формирователь потока активного газа, выполненный с возможностью формирования потока активного газа в вакуумной камере, подачи активного газа на мишень и сбора экраном части потока активного газа, отраженной от мишени, формирователь защитного потока газа, выполненный с возможностью нейтрализации потоком вблизи подложки действия остаточного активного газа и примесей, второй экран, установленный на пути отраженного от подложки защитного потока газа, предназначенный для сбора этой части защитного потока газа, вытяжная труба, соединенная с экранами.

Недостатками известного устройства являются, во-первых, низкая производительность технологического процесса, во-вторых, недостаточно высокая воспроизводимость процесса нанесения покрытий в непрерывном технологическом процессе.

При осуществлении посредством существующего оборудования метода ионно-лучевого распыления-осаждения характерна низкая скорость нанесения слоев, и, как следствие, низкая производительность. Для увеличения скорости нанесения прибегают к тому, что подложки приближают к мишени на минимально возможное расстояние. Однако это приводит к увеличению неоднородности нанесения покрытия. При требуемой однородности (допустимая неоднородность обычно не более 2%) рабочая площадь нанесения может составлять всего лишь несколько квадратных сантиметров, что существенно ограничивает апертуру оптического элемента, на которую можно нанести достаточно однородное оптическое покрытие, или уменьшает объем технологической загрузки (количества оптических элементов, напыляемых одновременно в одном процессе). Таким образом, приближение подложки к мишени не решает проблемы повышения производительности для известного технического решения.

Невысокая воспроизводимость процесса нанесения покрытий связана с невозможностью осуществления термостабилизации мишени при проведении процесса нанесения покрытия в непрерывном режиме. Для достижения высокой точности нанесения слоев (воспроизводимости по толщине) требуется термостабилизация мишени, поскольку она подвергается тепловому воздействию со стороны ионного пучка. Отсутствие термостабилизации мишени приводит к снижению точности нанесения слоев на 10%. Для термостабилизации мишени необходимо прерывание технологического процесса на 10-15 мин.

При напылении многослойного покрытия также необходима многократная смена мишени, поэтому неизбежна существенная потеря операционного времени как на смену мишени, так и на термостабилизацию мишени. Это особенно негативно проявляется при нанесении многослойных покрытий, когда число слоев может достигать от 5 (типичное антиотражающее покрытие) до 40 (зеркальное покрытие). Процесс нанесения слоев является циклическим процессом с затратами, составляющими более 30% операционного времени, на технологические операции, обеспечивающие точность и воспроизводимость нанесения оптического покрытия.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение производительности технологического процесса;

- повышение воспроизводимости процесса нанесения покрытий в непрерывном технологическом режиме.

Технический результат достигается тем, что устройство для нанесения многослойных оптических покрытий, содержащее вакуумную камеру и размещенную в ней мишень, формирователь ионного пучка, выполненный с возможностью формирования ионного пучка в вакуумной камере, подачи его на мишень, распыления частиц материала мишени, создания и направления потока их для формирования пленки на подложке, находящейся в вакууме, формирователь потока активного газа, выполненный с возможностью формирования потока активного газа/частиц активного газа в вакуумной камере, дополнительно снабжено размещенной в вакуумной камере второй мишенью и формирователем ионного пучка, выполненным с возможностью формирования ионного пучка в вакуумной камере, подачи его на мишень, распыления частиц материала мишени, создания и направления потока их для формирования пленки на подложке, размещенным в вакуумной камере многоканальным загрузочным портом с находящимися в нем подложками, причем пары формирователь ионного пучка и мишень расположены по разные стороны многоканального загрузочного порта с возможностью формирования слоя из материала распыляемых частиц на рабочих поверхностях подложек, установленных в многоканальном загрузочном порту с ориентацией рабочей поверхности к той или иной паре формирователь ионного пучка и мишень, при этом формирователь потока активного газа выполнен с возможностью формирования более одного потока и осуществления подачи потоков частиц активного газа на разные стороны многоканального загрузочного порта, по направлению к рабочим поверхностям подложек, многоканальный загрузочный порт выполнен с возможностью изменения положения подложек и переориентации их рабочих поверхностей относительно пар формирователь ионного пучка и мишень, причем в каждой паре мишени распыляемого материала выполнены в виде элементов, составляющих блок мишеней с возможностью их взаимной смены или смены на предназначенную для очистки отражающую мишень ионы от формирователя ионного пучка в направлении многоканального загрузочного порта к рабочим поверхностям подложек, а также снабжено блоком автоматизированного управления, который электрически связан с формирователями ионных пучков, блоками мишеней, формирователем потоков активного газа и многоканальным загрузочным портом.

В устройстве выполнены два функциональных узла, система напыления, включающая в состав две пары формирователь ионного пучка и мишень, формирователь потоков активного газа и многоканальный загрузочный порт с находящимися в нем подложками, и система финишной очистки, включающая в состав две пары формирователь ионного пучка и отражающая мишень и многоканальный загрузочный порт с находящимися в нем подложками, причем системы связаны электрической связью с блоком автоматизированного управления.

В устройстве каждый формирователь ионного пучка выполнен в составе источника ионов, индивидуального резервуара рабочего газа, соединенного с источником ионов посредством трубки, или при этом источники ионов соединены посредством трубок с одним, общим, резервуаром рабочего газа, источник/источники ионов размещен/размещены в вакуумной камере, формирователь потоков активного газа выполнен в составе источников активного газа, резервуара/резервуаров активного газа, источники активного газа соединены с резервуаром/резервуарами активного газа посредством трубок, при этом источники активного газа размещены в вакуумной камере, многоканальный загрузочный порт выполнен в виде корпуса, каналов загрузки и датчиков толщины слоя, находящихся в близи корпуса в потоках распыленных частиц материала мишени и активного газа/частиц активного газа, подаваемых относительно сторон многоканального загрузочного порта к рабочим поверхностям подложек, при этом канал загрузки выполнен в виде полированной трубы, в которую вварена вставка с полостью и выполненным в ней держателем для установки подложки, канал снабжен закрывающими его экранами с прорезями в сторону мишеней, между экранами размещены заслонки, для осуществления вращательного движения канала с целью изменения положения подложки и переориентации ее рабочей поверхности относительно пар формирователь ионного пучка и мишень он снабжен приводом и шестеренками, для выдвижения канала из вакуумной камеры с целью извлечения подложки канал снабжен приводом, муфтой и винтом, в корпусе выполнена камера обработки, предназначенная для очистки рабочей поверхности подложек посредством высокочастотного плазменного разряда, снабженная резервуаром плазмообразующего газа и соединительной трубкой, а также форвакуумным насосом с трубкой, корпус многоканального загрузочного порта герметично соединен с фланцем, установленным на вакуумной камере, в корпусе также выполнено уплотнение Вильсона для герметизации каналов, вакуумная камера выполнена с возможностью откачки высоковакуумным насосом через трубопровод.

В устройстве камера обработки выполнена в виде зоны в корпусе с электродами для инициирования плазменного разряда в полости вставки, выполненными на противоположных сторонах корпуса с возможностью их изолирования от корпуса изоляторами, и электродов для подведения ВЧ электрической мощности, изготовленных в виде колпачков на электродах, инициирующих плазменный разряд, камера обработки снабжена уплотнениями Вильсона, выполненными между вставкой и корпусом в нижней и верхней частях, предназначенными для обеспечения ее герметичности, как по отношению к атмосферному давлению, так и по отношению к высокому вакууму в камере.

В устройстве блок мишеней, содержащий мишени распыляемого материала и отражающую мишень, снабжен приводом вращения.

В устройстве блок автоматизированного управления выполнен в составе персонального компьютера с инсталлированной программой напыления, модуля питания, модуля управления заслонками, модуля мониторинга и модуля управления приводами, при этом модуль питания, модуль управления заслонками, модуль мониторинга и модуль управления приводами связаны с системами напыления и финишной очистки, а также указанные модули, кроме модуля питания, электрически связаны с персональным компьютером через порт интерфейса, причем модуль питания выполнен в составе двух блоков питания формирователей ионного пучка, электрически связанных с ними, и высоковольтного блока питания для отражающей мишени, электрически связанного с ней, модуль управления заслонками выполнен в составе пневмореле и связанного с ним блока управления прерывателями, который связан с портом интерфейса персонального компьютера, для управления пневмореле связано с заслонками каналов многоканального загрузочного порта, а для контроля положения заслонок выполнена их связь с блоком управления прерывателями, устройство мониторинга выполнено в составе двух мониторов, каждый из которых связан через интерфейс с персональным компьютером, а также каждый монитор связан с датчиком толщины слоя, модуль управления приводами выполнен в составе плат управления, каждая из которых связана через порт интерфейса с персональным компьютером и с управляемым ею приводом.

Сущность изобретения поясняется нижеприведенным описанием и прилагаемыми фигурами. На Фиг.1 показана блок-схема системы нанесения многослойных оптических покрытий, где 1 - источник ионов, 2 - резервуар рабочего газа, 3 - трубка, 4 - формирователь ионного пучка, 5 - источник ионов, 6 - резервуар рабочего газа, 7 - трубка, 8 - формирователь ионного пучка, 9 - резервуар активного газа, 10 - источник активного газа, 11 - источник активного газа, 12 - формирователь потоков активного газа, 13 - трубка, 14 - многоканальный загрузочный порт, 15 - датчик толщины слоя, 16 - канал, 17 - слой, 18 - подложка, 19 - мишень, 20 - мишень, 21 - вакуумная камера. На Фиг.2 показан вид сечения одного из каналов, где 16 - канал, 17 - слой, 18 - подложка, 19 - мишень, 20 - мишень, 21 - вакуумная камера, 22 - корпус, 23 - фланец, 24 - вставка, 25 - полость, 26 - экран, 27 - заслонка, 28 - экран, 29 - привод, 30 - шестеренка, 31 - привод, 32 - муфта, 33 - винт, 34 - трубопровод, 35 - камера обработки, 36 - трубка, 37 - резервуар плазмообразующего газа, 38 - трубка. На Фиг.3 показан вид камеры обработки, где 18 - подложка, 22 - корпус, 24 - вставка, 25 - полость, 39 - электрод, 40 - электрод, 41 - изолятор, 42 - держатель, 43 - уплотнение Вильсона. На Фиг.4 представлена блок-схема системы финишной очистки поверхности отраженными ионами, где 1 - источник ионов, 2 - резервуар рабочего газа, 3 - трубка, 4 - формирователь ионного пучка, 5 - источник ионов, 6 - резервуар рабочего газа, 7 - трубка, 8 - формирователь ионного пучка, 14 - многоканальный загрузочный порт, 15 - датчик толщины слоя, 16 - канал, 17 - слой, 18 - подложка, 44 - отражающая мишень, 45 - изолятор. На Фиг.5 представлена конструкция блока мишеней, где 19, 20 - мишени, 44 - отражающая мишень, 45 - изолятор, 46 - держатель, 47 - водоохлаждаемое основание. На фиг.6 представлена структурная схема блока автоматизированного управления процессом напыления, где 48 - персональный компьютер, 49 - модуль питания, 50 - модуль управления заслонками, 51 - модуль мониторинга, 52 - модуль управления приводами, 53 - системы напыления и финишной очистки, 54 - блок питания, 55 - блок питания, 56 - высоковольтный блок питания, 57 - пневмореле, 58 - блок управления прерывателями, 59 - интерфейс, 60 - монитор, 61 - монитор, 62 - платы управления.

В заявляемом изобретении предлагается решение существующей проблемы низкой производительности и воспроизводимости процесса нанесения многослойных оптических покрытий методом ионно-лучевого распыления-осаждения. Суть решения заключается в использовании вместо одной пары формирователь ионного пучка и мишень двух пар формирователь ионного пучка и мишень, при этом смена типа наносимого слоя осуществляется не путем замены одной мишени на другую, а путем разворота подложки рабочей поверхностью на другую пару формирователь ионного пучка и мишень, в которой мишень уже прошла процесс термостабилизации.

На первый взгляд может показаться, что производительность процесса можно повысить, используя только многоканальный загрузочный порт при одной паре формирователь ионного пучка и мишень. Однако в этом случае различия толщин и операционного времени, необходимого для напыления слоев на подложках в различных каналах, приведут к большим потерям операционного времени на ожидание. Другими словами, дизайн покрытия, то есть послойный состав многослойного оптического покрытия, который наносится медленно, будет тормозить нанесение быстрого, короткого по времени нанесения дизайна. В результате существующая производительность практически не претерпевает изменений.

Дополнительное введение второй пары формирователь ионного пучка и мишень радикально меняет существующую ситуацию. Наличие второй пары разносит по времени нанесение быстрых и медленных дизайнов по различным каналам многоканального загрузочного порта. Усложнение известного технического решения путем дополнительного введения второй пары формирователь ионного пучка и мишень и многоканального загрузочного порта полностью компенсируется существенным, более чем в 3 раза, повышением производительности процесса.

С другой стороны наличие в предлагаемом устройстве второй пары формирователь ионного пучка и мишень приводит к повышению воспроизводимости процесса нанесения покрытий. На воспроизводимость процесса оказывает существенное влияние стабильность геометрического фактора. Геометрический фактор определяется как отношение скорости нанесения слоя на подложку к скорости нанесения слоя на датчик толщины слоя. Если подложку и датчик толщины слоя разместить в одной и той же геометрической точке, то величина геометрического фактора будет составлять 100%. В предлагаемом устройстве величина геометрического фактора составляет 200-400% в зависимости от конкретного канала напыления. Воспроизводимость процесса характеризуется на высоком уровне, если уход геометрического фактора в результате работы мишени, то есть воздействии ионного пучка на мишень, составляет 2% и менее. В результате распыления мишени, например, в течение 5 минут уход геометрического фактора от заданной величины составляет 10%. Возвращение геометрического фактора к исходной величине осуществляется путем термостабилизации мишени. Таким образом, стабильность геометрического фактора и, следовательно, высокая воспроизводимость процесса нанесения оптических покрытий при условии непрерывности технологического процесса должна быть обусловлена наличием термостабилизации мишени.

В предлагаемом устройстве в режиме непрерывного процесса нанесения покрытий термостабилизация мишени становится возможной за счет разворота подложки рабочей поверхностью на другую пару формирователь ионного пучка и мишень, в которой мишень уже прошла процесс термостабилизации. В то время как первая мишень проходит стадию термостабилизации, вторая мишень в это время находится в стадии распыления. В результате периодической смены мишени становится возможным поддержание стабильности геометрического фактора в непрерывном технологическом процессе.

Таким образом, существенные преимущества, отраженные в указанном техническом результате, предлагаемого изобретения при использовании его для нанесения многослойных покрытий обусловлены:

- проведением нанесения покрытия при термостабилизированных мишенях без потери операционного времени, так как при переходе от напыления одного слоя к напылению другого, производится не замена мишени, а разворот установленной в канале подложки на другую мишень, которая к данному моменту прошла термостабилизацию; работа с термостабилизированной мишенью дает более высокую точность и воспроизводимость процесса нанесения;

- снятием жесткой временной взаимосвязи между технологическим маршрутом напыления заданного дизайна и последовательностью смены мишеней, что позволяет организовать непрерывный во времени процесс напыления разнородных по дизайну оптических покрытий.

Основными отличиями заявляемого по сравнению с известными техническими решениями являются введение дополнительной пары формирователь ионного пучка и мишень, использование разворота подложки вместо замены мишени при переходе к нанесению очередного слоя многослойного покрытия, введение многоканального устройства загрузки (многоканального загрузочного порта), расположенного между парами формирователь ионного пучка и мишень.

Устройство нанесения многослойных оптических покрытий содержит следующие основные конструктивные узлы: вакуумную камеру, две пары формирователь ионного пучка и блок мишеней, многоканальный загрузочный порт, формирователь потоков активного газа, блок автоматизированного управления устройством. Многоканальный загрузочный порт, блоки мишеней размещены в вакуумной камере. Формирователи ионных пучков и формирователь потоков активного газа предназначены для получения пучков и потоков в вакуумной камере, причем отдельные составляющие их элементы такие как, источник ионов, источник активного газа, размещены в вакуумной камере, а другие элементы, как резервуар рабочего газа, резервуар активного газа, вынесены за пределы вакуумной камеры. Пары формирователь ионного пучка и блок мишеней размещены по разные стороны многоканального загрузочного порта и выполнены с возможностью подачи пучка ионов на блок мишеней для распыления частиц материала мишени и формирования слоя на подложках, установленных в многоканальном загрузочном порту или направления к многоканальному загрузочному порту отражающей мишенью потока ионов для очистки. Формирователь потоков активного газа выполнен с возможностью подачи, например, двух потоков активных частиц на рабочие поверхности подложек, находящихся на разных сторонах многоканального загрузочного порта. Блок автоматизированного управления устройством электрически связан с формирователями ионных пучков, блоками мишеней, формирователем потоков активного газа, многоканальным загрузочным портом. Основными функциональными узлами предлагаемого устройства являются система напыления и система очистки. В систему напыления как функциональный узел входят: вакуумная камера, две пары формирователь ионного пучка и мишени распыляемого материала, выполненные в составе блока мишени, многоканальный загрузочный порт, формирователь потоков активного газа. В систему очистки как функциональный узел входят: вакуумная камера, две пары формирователь ионного пучка и отражающая мишень, выполненная в составе блока мишени, многоканальный загрузочный порт. Системы напыления и очистки электрически связаны с блоком автоматизированного управления.

В систему напыления предлагаемого устройства входят следующие конструктивные элементы (Фиг.1): источник ионов (1), резервуар рабочего газа (2), трубка (3), формирователь ионного пучка (4), источник ионов (5), резервуар рабочего газа (6), трубка (7), формирователь ионного пучка (8), резервуар активного газа (9), источник активного газа (10), источник активного газа (11), формирователь потоков активного газа (12), трубка (13), многоканальный загрузочный порт (14), датчик толщины слоя (15), каналы (16), мишень (19), мишень (20), вакуумная камера (21).

Пары источник ионов (1) и мишень (19), источник ионов (5) и мишень (20) расположены по разные стороны многоканального загрузочного порта (14). Источники активного газа (10) и (11) расположены также по разные стороны многоканального загрузочного порта (14). Каналы (16) многоканального загрузочного порта (14) выполнены с возможностью установки в них подложек (18), являющихся оптическими элементами, позволяющей проводить напыление слоев (17) на рабочих поверхностях с двух сторон поочередно или одновременно.

Формирователь ионного пучка (4), состоящий из источника ионов (1) и связанного с ним посредством трубки (3) резервуара рабочего газа (2), выполнен с возможностью подачи ионного пучка на мишень (19), распыления частиц материала мишени (19) и формирования слоя (17) на рабочей поверхности подложки (18), помещенной в многоканальный загрузочный порт (14).

Формирователь ионного пучка (8), состоящий из источника ионов (5) и связанного с ним посредством трубки (7) резервуара рабочего газа (6), выполнен с возможностью подачи ионного пучка на мишень (20), распыления частиц материала мишени (20) и формирования слоя (17) на рабочей поверхности подложки (18), помещенной в многоканальный загрузочный порт (14).

Формирователь потоков активного газа (12) состоит из источников активного газа (10) и (11) и связанного с ними посредством трубки (13) резервуара активного газа (9). При этом источники активного газа (10) и (11) выполнены с возможностью подачи потоков активного газа от формирователя (12) на подложки (18), расположенные в каналах (16) многоканального загрузочного порта (14). Потоки от формирователя потоков активного газа (12) подаются на разные стороны многоканального загрузочного порта (14).

Формирователи ионного пучка (4) и (8) предназначены для получения ионного пучка в вакуумной камере (21), направленного на мишень (19) и/или (20). Мишени (19) и (20) предназначены для распыления их ионными пучками, получения потоков частиц распыляемого материала, направленных на рабочие поверхности подложек (18), и являются источником материала напыляемых слоев (17). Формирователь потоков активного газа (12) предназначен для получения в вакуумной камере (21) потоков активного газа или потоков частиц активного газа, направленных на рабочие поверхности подложек (18).

Средствами реализации конструктивных элементов (1) и (5) являются источники ионов КЛАН-52М с монтажными фланцами и системой электропитания СЕФ-52М производства ЗАО «Платар» (г.Москва). Приведенный тип источников ионов также содержит и нейтрализатор, предназначенный для компенсации заряда ионного пучка.

Резервуары (2), (6), (9) изготовлены на основе баллонов высокого давления, редукторов и регуляторов газового потока РРГ-3-1Ф.

В качестве источников активного газа (10)и(11) могут быть, например, использованы источники атомарного кислорода (Thin Solid Films, 392 (2001), p.p.191-195).

В качестве мишеней (19) и (20) используют металлические пластины диаметром 140 мм, толщиной 6 мм, изготовленные из высокочистых материалов (поставщик: ООО «Техномет-Маркет», г.Подольск), а также кварцевые пластины тех же размеров, изготовленные из КУ-1 ГОСТ 15130-80 (поставщик: ЗАО «Опытное производство инновационно-технологического центра», г.Санкт-Петербург).

Многоканальный загрузочный порт (14) выполнен с возможностью вращения каналов (16) таким образом, что подложки (18), размещенные в каналах (16) и находящиеся в потоках распыленных частиц материала мишени (19) и от источника активного газа (10), после разворота канала (16) своей рабочей стороной оказываются в потоках распыленных частиц материала мишени (20) и источника активного газа (11) и наоборот. Многоканальный загрузочный порт (14) представляет собой корпус с размещенными в нем каналами загрузки (16). Количество каналов (16) может варьироваться, например, от 2 до 5. Многоканальный загрузочный порт (14) снабжен расположенными вблизи корпуса двумя датчиками толщины слоя (15), находящимися в потоках распыленных частиц материала мишени (19)/(20) и соответствующих потоков от источников активного газа, предназначенными для измерения толщин наносимых слоев. В качестве датчиков толщины слоя (15) могут использоваться кварцевые микровесы или, например, датчик толщин и монитор ТМ-400 фирмы «МАХТЕК» (США).

Многоканальный загрузочный порт (14), мишени (19) и (20) расположены в вакуумной камере (21). Также в вакуумной камере (21) размещены источники ионов (1) и (5), источники активного газа (10) и (11), являющиеся составными элементами формирователей ионных пучков (4) и (8), и формирователя потоков активного газа (12), а резервуары (2), (6) и (9) вынесены за ее пределы (см. Фиг.1). Источник ионов (1) и источник активного газа (10) размещены с одной стороны многоканального загрузочного порта (14), а источники (5) и (11) размещены с другой стороны.

Конструктивное выполнение многоканального загрузочного порта (14) позволяет извлекать датчики толщины слоя (15), а также подложки (18) без разгерметизации вакуумной камеры (21).

Подача газа из резервуара рабочего газа (2) или (6) к источнику ионов (1) или (5), соответственно, может быть осуществлена как индивидуально, так и из одного общего резервуара рабочего газа. То же самое касается осуществления подачи активного газа, направляемого в формирователь потоков активного газа (12) по трубке (13) из резервуара активного газа (9) к источникам активного газа (10) и (11).

Конструктивное выполнение канала (16) показано на Фиг.2. Вид сечения одного из каналов представлен со стороны источников ионов (1) и (5) в плоскости, перпендикулярной плоскости изображения на Фиг.1.

Канал загрузки непосредственно содержит трубу, корпус (22), вставку (24), полость (25), экран (26), заслонку (27), экран (28), привод (29), шестеренку (30), привод (31), муфту (32), винт (33).

Корпус (22), являющийся корпусом канала (16), многоканального загрузочного порта герметично соединен с фланцем (23), который установлен на вакуумной камере (21). Канал (16) выполнен в виде полированной трубы, в которую вварена вставка (24), имеющая полость (25) для установки подложки (18). Канал (16) снабжен закрывающими его экранами (26) и (28), в которых выполнены прорези в сторону мишеней (19) и (20). Между экранами (26) и (28) размещены заслонки (27) (на Фиг.2 левая заслонка открыта, правая - закрыта). Канал (16) выполнен с возможностью вращения вокруг центральной оси канала и с возможностью перемещения вдоль данной оси. Вращение осуществляется посредством привода (29) и шестеренок (30), а перемещение - посредством привода (31), муфты (32) и винта (33). В качестве приводов (29) и (30) используются шаговые двигатели ДШИ-200. В корпусе (22) выполнено уплотнение Вильсона для обеспечения герметизации канала (16). Трубопровод (34) предназначен для откачки высоковакуумным насосом, например турбомолекулярным марки 01АБ-1500-004, вакуумной камеры (21). В корпус (22) многоканального загрузочного порта (14) встроена предназначенная для очистки рабочей поверхности подложек (18) от загрязнений камера обработки (35), в которой зажигают высокочастотный (ВЧ) плазменный разряд. При этом плазмообразующий газ (О ₂, N₂, Ar, Xe, CF ₄ или их смеси) подается в камеру обработки (35) через трубку (36) резервуара плазмообразующего газа (37), который реализован также, как и резервуары (2), (6), (9). Для откачки камеры обработки (35) форвакуумным насосом, например 2НВР-5Д, выполнена трубка (38).

Конструктивное выполнение камеры обработки (35) показано на Фиг.3.

Камера обработки непосредственно представляет собой зону в корпусе (22) с электродами (39), электродами (40) и изоляторами (41).

Электроды (39) предназначены для инициирования плазменного разряда в полости (25) и выполнены на противоположных сторонах корпуса (22) с возможностью их изолирования от корпуса (22) изоляторами (41). Электроды (40) изготовлены в виде колпачков на электродах (39) и служат для подведения ВЧ электрической мощности к ним. Канал (16) выполнен с возможностью его установки, позволяющей производить позиционирование полости (25) во вставке (24) с держателем (42) подложки (18) в зоне камеры обработки (35). Уплотнения Вильсона (43), выполненные между вставкой (24) и корпусом (22) в нижней и верхней частях камеры обработки (35), предназначены для обеспечения ее герметичности как по отношению к атмосферному давлению, так и по отношению к высокому вакууму в камере (21).

В предлагаемом устройстве также предусмотрена финишная очистка рабочей поверхности подложек (18). На блок-схеме (Фиг.4) приведена система очистки поверхности подложек (18) отраженными ионами перед нанесением оптического покрытия. При этом ионная очистка возможна как с одной стороны, так и с другой стороны многоканального загрузочного порта (14). В систему финишной очистки входят:

формирователь ионного пучка (4) или (8) или, как формирователь ионного пучка (4), так и формирователь (8), многоканальный загрузочный порт (14) с выполненными в нем каналами (16), в которых размещены обрабатываемые подложки (18), отражающая мишень (44), например диск диаметром 140 мм из циркония или алюминия высокой чистоты, изоляторы (45), например, из высоковольтной стеатитовой или циркониевой керамики.

Формирователь(и) ионного пучка (4)/(8) или, как (4), так и (8), отражающая мишень (44), многоканальный загрузочный порт (14) выполнены с возможностью подачи от формирователя ионного пучка потока положительных ионов на отражающую мишень (44) и разворота отражением его в направлении к поверхности подложек (18), установленных в многоканальном загрузочном порту (14).

Отражающая мишень (44) совмещена с мишенью (19)/(20) и изолирована от нее посредством изоляторов (45). Таким образом, отражающая мишень (44) и мишень распыляемого материала (19)/(20) являются конструктивными элементами блока мишеней, выполняющего две функции: источника потока распыляемых частиц (Фиг.1) и «зеркала», отражающего чистящий поток ионов.

Конструкция блока мишеней показана на Фиг.5. Блок мишеней представляет собой несколько мишеней (19)/(20) и (44), закрепленных в держателе (46), вкрученном в водоохлаждаемое основание (47). Замена в позиции против источника ионов (1)/(5) одной мишени на другую выполняется путем разворота основания на 120° вокруг вертикальной оси. Разворот мишеней в блоках мишеней осуществляется за счет приводов (приводы вращения мишеней), в качестве которых также использованы шаговые двигатели ДШИ-200.

Устройство для нанесения многослойных оптических покрытий выполнено автоматизированным. Поскольку при полном использовании всех каналов необходимо следить за процессом нанесения 5 и более дизайнов покрытия, то для исключения ошибок оператора и упрощения управления работой устройства требуется автоматизация. Для каждого канала (16) составляется сценарий напыления, то есть последовательность действий, выполняемых по программе напыления. Сценарий напыления является входным файлом для программы напыления и загружается в персональный компьютер перед загрузкой подложки (18) в канал (16). Толщина слоев после расчета дизайнов покрытий задается в сценарии напыления.

Блок автоматизированного управления выполнен (см. Фиг.6) в составе персонального компьютера (ПК) (48) с инсталлированной программой напыления, входным файлом для которой является сценарий напыления, модуля питания (Блоки питания ФИ и ОМ) (49), модуля управления заслонками (Устройство управления заслонками) (50), модуля мониторинга (Устройство мониторинга) (51) и модуля управления приводами (52). При этом модуль питания (40), модуль управления заслонками (50), модуль мониторинга (51) и модуль управления приводами (52) электрически связаны с системами напыления и финишной очистки (53), а связь указанных модулей с персональным компьютером (48), кроме модуля питания (49), осуществляется через порт интерфейса персонального компьютера.

Системы напыления и финишной очистки (53) на Фиг.6 включают в себя размещенные в вакуумной камере (21): ФИ1, ФиИ - формирователи ионных пучков (4) и (8) соответственно; ФГ1 и ФГ2 - формирователь потоков активного газа (12); БМ1 и БМ2 - блоки мишеней, содержащие мишени (19) и (20) и ОМ - отражающую мишень; МЗП - многоканальный загрузочный порт (14); к1, ...к5 - каналы (16) загрузки; Д1, Д2 - датчики толщины слоя (15).

В составе модуля питания (Блоки питания ФИ и ОМ) (49) выполнены два блока питания (54) и (55) формирователей ионного пучка (4) и (8) соответственно, электрически связанных с ними, и высоковольтный блок питания (56) для отражающей мишени (44), электрически связанный с ней. В качестве блоков питания (54) и (55) используют СЕФ-52М (ЗАО «Платар», г.Москва), в качестве высоковольтного блока питания (56) для отражающей мишени (44) - ТВ-2 (производство: Болгария).

Питание источников активного газа (10) и (11) формирователя потоков активного газа (12) осуществляется от отдельного источника питания.

В составе модуля управления заслонками (Устройство управления заслонками) (50) выполнено пневмореле (57), электрически связанное с блоком управления прерывателями (БУП) (58), который связан с портом интерфейса (59) RS485 персонального компьютера (48). Данный модуль предназначен для управления заслонками (27) многоканального загрузочного порта (14) посредством сжатого воздуха, который поступает из пневмореле (57) при срабатывании его по сигналу блока управления прерывателями (58), связанного через порт интерфейса (59) с программой напыления персонального компьютера (48). Двойная связь модуля (50) с системами напыления и финишной очистки (53) обеспечивает возможность управления заслонками (27) посредством сжатого воздуха из пневмореле и контроля их положения посредством связи с блоком управления прерывателями (58).

В составе модуля мониторинга (Устройство мониторинга) (51) выполнены два монитора (60) и (61), электрически связанные через порт интерфейса (59) RS485 с персональным компьютером (48). Модуль (51) предназначен для снятия сигналов с кварцевых датчиков толщины (15) многоканального загрузочного порта (14) и передачи данных о толщине слоев в программу напыления персонального компьютера (48), откуда поступает информация о номере слоя, который наносится на подложку. При этом каждый из мониторов (60) и (61) ТМ400 подсоединен к системе напыления и финишной очистки (53), то есть к своему датчику толщины слоя (15).

Модуль управления приводами (52) содержит платы управления (62), электрически соединенные через порт интерфейса (59) с персональным компьютером (48). Модуль (52) предназначен для управления приводами вращения вокруг центральной оси канала (16) загрузки и перемещения его вдоль данной оси (приводами (29) и (31)), а также управления приводами вращения мишеней при выполнении программы напыления и электрически связан с системами напыления и финишной очистки (53) посредством связи плат управления SMD с ДШИ (шаговыми двигателями, которые используются в качестве приводов).

Устройство работает следующим образом.

После химико-механической подготовки оптических поверхностей кристаллов, которые являются подложками (18), их устанавливают в держатели (42) и вставляют в полости (25) вставок (24) каналов (16). Предварительно в программу напыления загружают сценарий напыления. Посредством программы напыления запускают приводы (29) и (31). Полости (25) вставок (24) с установленными подложками (18) в держателях (42) при продвижении вставок (24) по каналу (16) многоканального загрузочного порта (14) откачиваются и позиционируются в зоне камеры обработки (35) (Фиг.3). После откачки камеры обработки (35) форвакуумным насосом через трубку (38) в камеру обработки (35) через трубку (36) из резервуара плазмообразующего газа (37) подают, например, смесь O₂ и Ar, между электродами (39) в полости (25) зажигают ВЧ плазменный разряд посредством подведения ВЧ электрической мощности к электродам (40). После окончания обработки подложки (18) продвигают в позицию, в которой проводят нанесение многослойного оптического покрытия (Фиг.2).

Вакуумную камеру (21) откачивают высоковакуумным насосом.

Перед нанесением покрытия предварительно проводят финишную очистку (Фиг.4). При первичной финишной очистке предусматривается обработка как подложек (18), так и датчиков толщины слоя (15). Проводят, например, финишную очистку со стороны многоканального загрузочного порта (14), на которую возможна подача ионного пучка от блока мишеней (19) и (44). Для этого от формирователя ионного пучка (4) подают на отражающую мишень (44) поток положительно заряженных ионов. На мишень (44) при этом подают положительный потенциал, величина которого на 50÷400 В выше величины, соответствующей энергии ионов пучка. Образуется поток отраженных ионов, направляемый мишенью (44) на поверхности, которые необходимо очистить перед напылением. Величина энергии ионного пучка для финишной очистки выбирается 300÷1500 эВ.

Подают питание к источнику активного газа (10).

Затем приступают к выполнению программы напыления, то есть непосредственно к нанесению слоев (17) покрытия на подложках (18). Устанавливают требуемую по дизайну оптического покрытия мишень (19). Включают источник ионов (1). Устанавливается режим распыления мишени (19). Программой фиксируется по датчику толщины слоя (15) начальное значение толщины и открывается заслонка (27) со стороны мишени (19). После достижения требуемой по дизайну толщины напыляемого слоя (17) заслонка закрывается. В первом канале (16) программой напыления подложка (18) разворачивается на 180° посредством привода (29) и шестеренок (30).

Программа напыления устанавливает мишень (19) другого распыляемого материала и запускает процесс напыления второго слоя на подложку (18), находящуюся во втором канале (16). Одновременно с операцией напыления второго слоя (17) во втором канале (16), в первом канале (16) со стороны мишени (20) проводится финишная обработка поверхности подложки (18), на которой присутствует первый слой (17), отраженными ионами от мишени (44) (Фиг.4).

После завершения финишной обработки подложки (18) в первом канале (16) происходит замена отражающей мишени (44) на мишень (20) распыляемого материала, требуемого по дизайну покрытия и наносится второй слой (17) покрытия на подложку (18).

Далее программа напыления разворачивает подложки (18) к тем парам источник ионов и мишень, которые предписаны сценарием, устанавливает мишень распыляемого материала, требуемого по дизайну покрытия, и проводит напыление остальных слоев многослойных оптических покрытий.

В процессе напыления возникают конфликты между сценариями напыления для различных каналов. Для разрешения конфликтов сценариев в программе напыления установлены приоритеты. После окончания напыления, например, во втором канале программа напыления управляет выдвижением вставки (24) с полостью (25), в которой расположена подложка (18), из зоны напыления через камеру обработки (35) посредством привода (31) наружу. Держатель (42) с подложкой (18) извлекается из канала загрузки (16). Стенки полости (25) очищаются от остатков напыляемого материала, полость (25) обеспыливается и таким образом подготавливается для очередной загрузки. Далее возможно продолжение нанесения многослойного оптического покрытия на подложки, загруженные в освободившиеся каналы без остановки всего технологического процесса.

Таким образом, данное устройство позволяет в едином технологическом процессе напылять многослойные оптические покрытия с различными дизайнами и габаритами НОК с соблюдением условия непрерывности процесса и высокой воспроизводимости его.