СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОПТИЧЕСКИЕ ПОДЛОЖКИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD FOR APPLYING A MULTILAYER COATING TO OPTICAL SUBSTRATES AND AN INSTALLATION FOR IMPLEMENTING THE METHOD

Группа изобретений относится к изготовлению оптических элементов и представляет собой способ нанесения многослойных покрытий на поверхность оптической подложки, а также установку для осуществления этого способа.
Известен способ нанесения многослойного покрытия на поверхность оптической подложки и устройство для его осуществления (патент SU 807054, «Устройство для контроля толщины слоев для многослойных покрытий»). Известный способ и устройство имеют следующие недостатки - для нанесения покрытия используется монохроматический контроль, а также контроль происходит только по контрольным подложкам. Таким образом, данный способ не обеспечивает необходимой точности контроля.
Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемому результату является способ нанесения многослойного покрытия на поверхность оптического элемента и установка для его осуществления (патент RU №2690232, «Способ нанесения многослойного покрытия на оптические подложки и установка для осуществления способа»). Способ нанесения многослойного покрытия на оптические подложки включает напыление, осуществляемое путем электронно-лучевого испарения материала покрытия в вакууме и осаждения паров на поверхности подложки. Описанная установка для нанесения многослойного покрытия на оптические подложки содержит вакуумную камеру с устройством для регулирования величины вакуума, размещенные в камере электронно-лучевые испарители с устройством для регулирования величины тока, устройство для крепления оптических элементов с регулируемым приводом для их вращения и блок контроля толщины покрытия. Контроль процесса напыления происходит с помощью комбинированной системы широкополосного оптического контроля, включающей в себя как прямой оптический контроль, выполняющий измерения спектра пропускания покрытия подложки в процессе напыления, так и косвенный оптический контроль, выполняющий измерения спектра пропускания покрытия образца-свидетеля.
Недостатком такого способа напыления является то, что образец-свидетель находится на существенном удалении от подложек - в центре вакуумной камеры, практически непосредственно над электронно-лучевыми испарителями (ЭЛИ), что понижает точность контроля процесса нанесения с помощью косвенного контроля вследствие низкой чувствительности образца-свидетеля к изменению диаграммы направленности потока частиц распыляемого материала.
Задачей и техническим результатом группы изобретений является повышение точности контроля толщин слоев многослойного покрытия во время его напыления на оптические подложки, в том числе на крупногабаритные оптические подложки.
Указанный технический результат достигается тем, что способ нанесения многослойного покрытия на оптические подложки включает напыление, осуществляемое путем электронно-лучевого испарения материала покрытия в вакууме и осаждения паров на поверхности подложки при вращении подложек в вакуумной камере, контроль процесса напыления путем измерения спектра пропускания покрытия производят комбинированной системой широкополосного оптического контроля, включающей в себя прямой оптический контроль, осуществляемый на каждом обороте подложки вокруг оси вакуумной камеры, и косвенный оптический контроль по образцу-свидетелю, при том, что косвенный оптический контроль осуществляют по образцу-свидетелю, расположенному на той же высоте, что и подложки, и вращающемуся вокруг оси вакуумной камеры, причем радиус вращения определяют исходя из того, чтобы образец-свидетель на каждом обороте проходил сквозь луч оптического контроля, измерения спектра пропускания покрытия образца-свидетеля осуществляют в процессе напыления на каждом обороте образца-свидетеля вокруг оси вакуумной камеры.
Вращение подложек осуществляется механизмом с планетарной передачей.
Для прямого и косвенного оптических контролей рассчитывают значение функции невязки напыляемого слоя, причем сначала производят прямой оптический контроль, при этом остановку напыления каждого слоя осуществляют при достижении минимума его функции невязки, а после слоя, на котором значение минимума функции невязки более 1%, производят косвенный оптический контроль, при этом остановку напыления каждого слоя осуществляют при достижении минимума его функции невязки.
При прямом оптическом контроле определяют значение калибровочного коэффициента между прямым и косвенным оптическими контролями, причем толщину покрытия подложки и образца-свидетеля определяют по спектрам пропускания покрытий подложки и образца-свидетеля, и при косвенном контроле расчетную толщину каждого слоя покрытия образца-свидетеля вычисляют путем деления расчетной толщины соответствующего слоя покрытия подложки на калибровочный коэффициент.
Образцы-свидетели являются сменными.
Образец-свидетель, по которому проводят измерения, открыт для напыления, а остальные образцы-свидетели при этом закрыты.
При этом смену образца-свидетеля, по которому проводятся измерения, осуществляют дистанционно посредством радиосигнала.
Измерения спектров пропускания производятся в процессе напыления на каждом обороте подложки и образца-свидетеля вокруг оси вакуумной камеры, причем за один оборот последовательно выполняются измерения на всех вращающихся подложках и образце-свидетеле.
Значение функции невязки напыляемого слоя является мерой несовпадения измеряемой кривой спектра пропускания покрытия и расчетной кривой спектра пропускания покрытия и вычисляется путем деления суммы модулей разностей между измеренным значением пропускания и расчетным его значением в каждой спектральной точке на количество спектральных точек.
При контроле процесса напыления с помощью прямого оптического контроля для каждого распыляемого материала на каждом слое автоматически определяется значение калибровочного коэффициента между прямым и косвенным оптическими контролями путем деления толщины слоя покрытия оптической подложки на толщину соответствующего слоя покрытия образца-свидетеля, причем толщина покрытия оптической подложки и образца-свидетеля определяется автоматически с помощью программного обеспечения исходя из измеряемых спектров пропускания покрытия подложки и спектров пропускания покрытия образца-свидетеля соответственно, а после перехода на режим контроля с помощью косвенного контроля расчетная толщина каждого слоя покрытия образца-свидетеля вычисляется автоматически путем деления расчетной толщины соответствующего слоя покрытия оптической подложки на калибровочный коэффициент распыляемого материала. В качестве значений калибровочных коэффициентов для каждого распыляемого материала, используемых для вычисления расчетных толщин слоев покрытия образца-свидетеля, как правило, используется среднее значение калибровочных коэффициентов нескольких последних слоев соответствующего материала, контроль напыления которых происходил с помощью прямого оптического контроля. Необходимость использования калибровочных коэффициентов обусловлена тем, что держатель образцов-свидетелей находится на некотором радиальном удалении от центров подложек. Однако расстояние между держателем образцов-свидетелей и подложками минимально, что положительно сказывается на постоянстве калибровочных коэффициентов, вследствие высокой чувствительности покрытия образцов-свидетелей к изменению диаграммы направленности потока частиц распыляемого материала.
Предпочтительно в течение процесса напыления использовать несколько сменных образцов-свидетелей для уменьшения влияния эффекта накопления ошибок и увеличения точности косвенного оптического контроля. Однако, возможно проведение процесса напыления с осуществлением косвенного оптического контроля по одному образцу-свидетелю. В таком случае сначала производят только прямой оптический контроль, при этом остановку напыления каждого слоя осуществляют при достижении минимума его функции невязки. Затем производят совместный контроль с помощью прямого и косвенного оптических контролей, при этом остановку напыления каждого слоя по-прежнему осуществляют при достижении минимума функции невязки прямого оптического контроля, а косвенный оптический контроль используется для определения значение калибровочного коэффициента. В таком совместном режиме контроля необходимо нанести как минимум по одному слою каждого распыляемого материала для определения значений их калибровочных коэффициентов. После этого до окончания процесса напыления производят косвенный оптический контроль по образцу-свидетелю с учетом определенных калибровочных коэффициентов, при этом остановку напыления каждого слоя осуществляют при достижении минимума функции невязки косвенного оптического контроля.
Заявленный способ нанесения многослойного покрытия на оптические подложки реализуется с помощью установки для нанесения многослойного покрытия на оптические подложки, содержащей вакуумную камеру с устройством для регулирования величины вакуума, размещенные в камере электронно-лучевые испарители, устройство для крепления оптических подложек с приводом для их вращения, комбинированную систему широкополосного оптического контроля, включающую в себя прямой оптический контроль и косвенный оптический контроль, при том, что косвенный оптический контроль дополнительно включает в себя держатель образцов-свидетелей, оборудованный механизмом поворота держателя, причем держатель образцов-свидетелей расположен на той же высоте, что и подложки, и вращается вокруг оси вакуумной камеры, причем радиус вращения определяется исходя из того, чтобы образец-свидетель на каждом обороте проходил сквозь луч оптического контроля, причем в держателе размещают один или более образцов-свидетелей.
При этом держатель образцов-свидетелей оборудован приемником радиосигнала и батареей, а приемник радиосигнала соединен с механизмом поворота держателя.
Привод вращения подложкодержателей является регулируемым.
Образец-свидетель, по которому проводятся измерения, открыт для напыления, а остальные образцы-свидетели при этом закрыты.
Держатель образцов-свидетелей имеет ячейки для одного или более образцов-свидетелей, которые могут быть расположены по кругу на одинаковом расстоянии от центра держателя. Держатель образцов-свидетелей снабжен механизмом поворота. Управление поворотом держателя осуществляется дистанционно с помощью пульта управления посредством радиосигнала: после приема радиосигнала держатель поворачивается на одну ячейку, меняя тем самым образец-свидетель, по которому проводятся измерения. Конструкция держателя такова, что ячейка образца-свидетеля, по которому проводятся измерения, открыта для напыления, остальные ячейки при этом закрыты. Смена образцов-свидетелей, по которым ведется контроль, в процессе напыления позволяет избежать эффекта накопления ошибок при определении толщин слоев напыляемого покрытия.
Предлагаемая конструкция установки позволяет реализовать заявляемый способ.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема установки для реализации способа.
На фиг. 2 изображен вид сверху на подложкодержатели и держатель образцов-свидетелей. Круговыми стрелками показаны направления вращения подложкодержателей.
На фиг. 3 изображены траектории измерений, производимых с помощью прямого оптического контроля на прямоугольной подложке за 18 оборотов платформы
На фиг. 4 представлено сравнение ошибок в толщинах слоев 32-слойного поляризующего покрытия, напыленного заявленным способом и способом, взятым за прототип (патент RU №2690232, «Способ нанесения многослойного покрытия на оптические подложки и установка для осуществления способа»).
Установка оборудована комбинированной системой широкополосного оптического контроля, включающей в себя прямой оптический контроль и косвенный оптический контроль. Комбинированная система широкополосного контроля состоит из опоры, осветителя, свет от которого по световоду подводится к коллиматору, объектива, собирающего свет в оптоволокно для передачи его в спектрометр, системы синхронизации, обеспечивающей проведение измерений в момент нахождения подложки или образца-свидетеля на пути зондирующего луча осветителя и компьютера со специализированным программным обеспечением. Для реализации косвенного оптического контроля комбинированная система широкополосного оптического контроля дополнительно включает в себя держатель образцов-свидетелей, закрепленный на опоре держателя, который расположен на той же высоте, что и подложки, и вращается только вокруг центра камеры. Радиус вращения держателя образцов-свидетелей определяют исходя из того, чтобы образец-свидетель на каждом обороте проходил сквозь луч оптического контроля. Держатель образцов-свидетелей может иметь одну или несколько ячеек для образцов-свидетелей, которые могут быть расположены по кругу на одинаковом расстоянии от центра держателя. Держатель образцов-свидетелей оборудован приемником радиосигнала, механизмом поворота и батареей, например аккумуляторной, находящейся в герметичном корпусе. Смена образца-свидетеля, по которому проводятся измерения, осуществляется дистанционно посредством радиосигнала, подающегося на приемник от автономного носимого пульта управления с помощью встроенного передатчика радиосигналов.
Система синхронизации состоит из датчика первого оборота, датчика счета оборотов, датчика угла поворота привода вращения и платы с процессором на архитектуре программируемой логической интегральной схемы. Датчик первого оборота и датчик счета оборотов представляют собой пару геркон/магнит, при этом геркон датчика первого оборота и датчика счета оборотов находится на опоре, закрепленной на стенке вакуумной камеры, магнит датчика первого оборота закреплен на валу подложкодержателя, так, что замыкание пары геркон/магнит происходит один раз за время вращения подложкодержателя до повторения им своей же траектории. Магнит датчика счета оборотов закреплен на платформе и срабатывание пары геркон/магнит происходит на каждом ее обороте.
Способ нанесения покрытия представляет собой электронно-лучевое испарение материала покрытия в вакууме и осаждение паров на оптические подложки. Программное обеспечение установки позволяет загружать конструкцию многослойного покрытия с отображением на экране компьютера расчетных спектральных характеристик каждого слоя в отдельности и покрытия в целом. Контроль скорости напыления осуществляется с помощью кварцевых датчиков, причем каждый кварцевый датчик имеет два кварцевых резонатора, каждый из которых предназначен для контроля скорости строго определенного распыляемого материала. Установка оснащена механизмом вращения подложек с планетарной передачей, который позволяет одновременно наносить покрытие на три подложки диаметром до 1 метра. Установка оборудована широкополосным оптическим контролем, позволяющим реализовать как прямой, так и косвенный оптический контроль. С помощью прямого оптического контроля выполняются измерения спектра пропускания покрытия подложки в процессе напыления на каждом обороте подложки вокруг оси вакуумной камеры. За один оборот последовательно выполняются измерения на всех трех вращающихся подложках. С помощь системы синхронизации измерения происходят в момент нахождения подложки с осаждаемым на нее покрытием на пути зондирующего луча прямого оптического контроля. Одновременно с прямым оптическим контролем все время напыления осуществляется косвенный оптический контроль по сменным образцам-свидетелям, находящимся в держателе, вращающемся вокруг центра камеры. Компьютер выводит на экран измеренные спектры пропускания покрытия подложки и спектры пропускания покрытия образца-свидетеля в режиме реального времени. Программное обеспечение установки позволяет определять зависимость значения функции невязки измеренного и расчетного спектров пропускания от времени напыления. Невязка - разность между значением функции, вычисленным по результатам измерений, и истинным ее значением. В данном случае значение функции невязки вычисляется путем деления суммы модулей разностей между измеренным значением пропускания и расчетным его значением в каждой спектральной точке на количество спектральных точек, то есть невязка характеризует несовпадение измеряемой кривой пропускания и расчетной. Значение невязки, равное нулю, означает, что измеряемая кривая полностью совпадает с расчетной. Остановка процесса напыления и переход к следующему слою осуществляется при достижении минимума функции невязки прямого оптического контроля, а в идеальном случае - нулевого значения. Однако с увеличением количества напыленных слоев минимальное значение невязки прямого оптического контроля на каждом последующем слое возрастает вследствие накопления незначительных ошибок остановки напыления каждого предыдущего слоя. Данный эффект затрудняет оператору на последних слоях выбор момента остановки процесса напыления и перехода к следующему слою. При косвенном оптическом контроле оператор может сменить образец-свидетель с большим количеством напыленных слоев на новый образец-свидетель без покрытия, тем самым «обнуляя» накопленные ошибки. Таким образом, после слоя, на котором значение минимума функции невязки прямого оптического контроля становится более 1%, контроль напыления осуществляется с помощью косвенного оптического контроля, при этом остановка напыления каждого слоя и переход к напылению следующего слоя осуществляется при достижении минимума функции невязки косвенного оптического контроля. Однако для осуществления косвенного оптического контроля необходимо знать для каждого распыляемого материала калибровочный коэффициент, учитывающий разницу скоростей напыления материала на образец-свидетель и на подложку. Необходимость использования калибровочных коэффициентов обусловлена тем, что держатель образцов-свидетелей находится на некотором радиальном удалении от центров подложек и вращается только вокруг центра вакуумной камеры. Обычно калибровочные коэффициенты для расчета толщины слоев на образце-свидетеле косвенного контроля определяются до начала процесса напыления. Однако, как показывает практика, определенное заранее значение калибровочного коэффициента может отличаться от реального из-за случайных отклонений параметров процесса, изменения показателей преломления распыляемых материалов вследствие наличия примесей, морфологических изменений в процессе осаждения распыляемых материалов, а также из-за изменения температуры подложки в процессе ее вращения в вакуумной камере. Поэтому в процессе напыления для каждого распыляемого материала на каждом слое с помощью программного обеспечения автоматически определяется значение калибровочного коэффициента путем деления толщины покрытия оптической подложки на соответствующую ей толщину покрытия образца-свидетеля. Однако, в отличие от прототипа, расстояние между держателем образцов-свидетелей и подложками минимально, что положительно сказывается на постоянстве калибровочных коэффициентов вследствие высокой чувствительности образца-свидетеля к изменению диаграммы направленности потока частиц распыляемого материала
На фиг. 1 представлена схема установки для реализации способа. Установка состоит из вакуумной камеры 1, вакуумной системы откачки, системы управления 2, механизма вращения подложкодержателей с планетарной передачей, прямого оптического контроля, косвенного оптического контроля, системы синхронизации, основных и вспомогательных узлов, обеспечивающих проведение технологического цикла нанесения покрытий.
-6
2
5
2
3
2
3
2
2
2
Вакуумная камера 1 изготовлена из нержавеющей стали, имеет габариты (2,5×2,5×2,5) м и оборудована сменными экранами для защиты от запыления, в ней установлены два электронно-лучевых испарителя 3 (Telemark 295 electron beam source), заслонки электронно-лучевых испарителей 4, ионный источник 5 (KRI еН3000), нейтрализатор 6, механизм вращения подложкодержателей с планетарной передачей, три подложкодержателя 7, держатель 8 образцов-свидетелей, датчики системы синхронизации, элементы прямого и косвенного оптических контролей. Нагрев и испарение материала осуществляется электронно-лучевыми испарителями 3. Ионный источник 5 используется для очистки подложек 9 и ионного ассистирования процесса напыления. Вакуумная система с криогенными насосами обеспечивает остаточное давление 2×10 мбар. Список напыляемых диэлектрических материалов включает в себя NbO, YO, ScO, HfO, ZrO, SiO.
Система управления 2 позволяет регулировать величину вакуума в камере 1, значение тока электронно-лучевых испарителей 3, поток технологических газов через ионный источник 5 и нейтрализатор 6, ток и напряжение на ионном источнике 5 и нейтрализаторе 6, скорость вращения подложкодержателей 7.
Механизм вращения подложкодержателей включает в себя привод 10, платформу 11, вал 12. Установка позволяет одновременно наносить покрытие на три подложки диаметром до 1 метра (фиг. 2). Механизм вращения подложкодержателей является планетарным и имеет такое передаточное отношение, т.е. отношение числа зубьев солнечной шестерни 13 и числа зубьев планетарной шестерни 14, что положения подложкодержателей 7, в которых производятся измерения, повторяются после 18 полных оборотов платформы 11. Платформа 11 делает один полный оборот за 7 секунд.
Установка позволяет в реальном времени в процессе напыления осуществлять измерение спектров пропускания покрытия подложки и образца-свидетеля. Для этого установка оборудована комбинированной системой широкополосного оптического контроля, включающей в себя прямой оптический контроль и косвенный оптический контроль. При этом комбинированная система широкополосного оптического контроля состоит из опоры 15, осветителя 16, свет от которого по световоду 17 подводится к коллиматору 18, объектива 19, собирающий свет в оптоволокно 20 для передачи его в спектрометр 21 (Avantes AvaSpec ULS2048CL-RS-EVO), системы синхронизации, обеспечивающей проведение измерений спектров пропускания в момент пересечения подложкой или образцом-свидетелем светового луча 22 оптического контроля, компьютера 23 со специализированным программным обеспечением. Для реализации косвенного оптического контроля комбинированная система широкополосного оптического контроля дополнительно включает в себя держатель 8 образцов-свидетелей, который закреплен на опоре держателя 29 и расположен на той же высоте, что и подложки, и вращается только вокруг центра камеры. Радиус вращения держателя 8 образцов-свидетелей вокруг оси вакуумной камеры 1 определяется расположением элементов оптического контроля, так как необходимо, чтобы образец-свидетель на каждом обороте проходил сквозь луч 22 оптического контроля. Держатель 8 образцов-свидетелей имеет несколько ячеек для образцов-свидетелей, расположенных по кругу на одинаковом расстоянии от центра держателя. Держатель 8 образцов-свидетелей оборудован приемником радиосигнала 30, механизмом поворота и аккумуляторной батареей, находящейся в герметичном корпусе. Смена образца-свидетеля, по которому проводятся измерения, осуществляется дистанционно посредством радиосигнала, подающегося на приемник от автономного носимого пульта управления с помощью встроенного передатчика радиосигналов.
И при прямом, и при косвенном оптических контролях осуществляются измерения спектров пропускания при нормальном падении излучения на подложку или образец-свидетель соответственно. Спектры состоят из 1140 спектральных точек в области длин волн от 450 нм до 1100 нм. Измерения осуществляются на расстоянии 7 см от центров подложек. Результаты измерений прямого и косвенного оптических контролей представляются в виде двумерных графиков, в реальном времени производится уменьшение шумов путем усреднения и сглаживания, а также вычисление значения функции невязки.
Предпочтительно в течение процесса напыления использовать несколько образцов-свидетелей для увеличения точности контроля и уменьшения эффекта накопления ошибок. В таком случае для использования косвенного оптического контроля перед началом процесса необходимо определить стратегию напыления слоев покрытия, т.е. установить взаимное соответствие номера образца-свидетеля и номера слоя покрытия. На один образец-свидетель могут напыляться либо слои с высоким показателем преломления, либо слои с низким показателем преломления. Для напыления материала с показателем преломления близким к показателю преломления образца-свидетеля, предварительно на образец-свидетель может наноситься слой известной толщины материала с высоким показателем преломления так, чтобы в спектре пропускания покрытия образца-свидетеля с предварительно нанесенным слоем появился хотя бы один локальный экстремум или хотя бы одна точка перегиба.
Система синхронизации обеспечивает проведение измерений спектров пропускания в момент пересечения подложкой или образцом-свидетелем светового луча оптического контроля. Система синхронизации состоит из датчика первого оборота, датчика счета оборотов, датчика угла поворота привода вращения 10 и платы 24 (PCIe-7852R с микросхемой FPGA Virtex-5 LX50) с процессором на архитектуре программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Датчик первого оборота необходим для того, чтобы иметь точку отсчета в исчислении оборотов платформы 11. Он срабатывает один раз за каждые 18 оборотов платформы 11 и позволяет избавиться от проведения калибровки положения подложкодержателей 7 относительно положения платформы 11 перед каждым процессом напыления. Датчик счета оборотов срабатывает на каждом обороте платформы 11 и позволяет определять номер ее оборота, а также позволяет избежать накопления ошибок положения платформы 11 датчиком угла поворота. Датчик первого оборота и датчик счета оборотов представляют собой пару геркон/магнит, при этом геркон (25, 26) находится на опоре, закрепленной на стенке вакуумной камеры 1. В случае датчика первого оборота магнит 27 закреплен на валу 12 подложкодержателя 7 так, что замыкание пары геркон/магнит происходит один раз за время вращения подложкодержателя 7 до повторения им своей же траектории (в данном случае за 18 оборотов). В случае датчика счета оборотов магнит 28 закреплен на платформе 11, и срабатывание пары геркон/магнит происходит на каждом ее обороте.
Установка оснащена механизмом вращения с планетарной передачей, таким образом, внутри вакуумной камеры 1 вращаются не только подложкодержатели 7 вокруг своей оси, но и сама платформа 11 с подложкодержателями 7 вращается вокруг своей оси. Для определения абсолютного положения платформы 11 в любой момент времени на привод механизма вращения 10, вращающего платформу И, установлен датчик угла поворота. Однако инкрементальные датчики угла поворота могут иногда пропускать отсчеты, что может привести со временем к накоплению ошибки положения платформы 11 и проведению измерений в разных участках подложек. Избежать этого позволяет датчик счета оборотов, который запускает новый отсчет импульсов датчика угла поворота на каждом обороте платформы 11. Для того чтобы обеспечить наиболее быстрое и точное определение координат платформы 11 информация с датчика угла поворота, датчика первого оборота и датчика счета оборотов поступает на отдельную плату 23 с процессором на архитектуре ПЛИС.
Перед началом процесса напыления производится автоматическая калибровка регионов считывания спектров. Сначала измеряется зависимость интенсивности излучения осветителя 16 от координаты абсолютного положения платформы 11 механизма вращения. Используя данную зависимость, с помощью программного обеспечения компьютера 23 автоматически определяются регионы проведения измерений в координатах абсолютного положения платформы 11 механизма вращения. Первый регион задается для измерения спектра осветителя и соответствует координатам платформы 11, при которых излучение от осветителя 16 беспрепятственно попадает в объектив 19. Второй, третий и четвертый регионы соответствует координатам платформы 11, при которых излучение от осветителя 16 перед попаданием в объектив 19 проходит через подложку 9. Пятый регион соответствует координатам платформы 11, при которых излучение от осветителя 16 перед попаданием в коллиматор 18 проходит через образец-свидетель. Шестой регион задается для измерения спектра темнового фона. Его координатам соответствует участок, на котором излучение от осветителя 16 попадает на непрозрачный экран, в качестве которого выступает металлический элемент подложкодержателя 7.
После определения регионов считывания информация об их координатах передается на плату 24 с процессором на архитектуре ПЛИС. Данная плата 24 позволяет точно рассчитать абсолютное положение платформы 11 механизма вращения в любой момент времени. Также она позволяет с высокой точностью и повторяемостью генерировать спектрометру 21 сигналы на проведение измерений строго с начальных координат регионов считывания. Компьютер 23 выполняет функцию сбора полученных спектрометром 21 данных, а также их дальнейшую обработку. Привязка моментов проведения измерений спектрометром 21 к координатам платформы 11 позволяет не проводить калибровку регионов считывания каждый раз, когда изменяется скорость вращения подложкодержателей 7.
Измерения проводятся последовательно на всех трех вращающихся подложках при пересечении ими светового луча 22 оптического контроля. Однако на каждом обороте платформы 11 световой луч 22 оптического контроля оставляет новый след на подложке 9. В результате на каждой из подложек имеется 18 различных траекторий измерений. На фиг. 3 изображены траектории измерений, производимых с помощью прямого оптического контроля на подложке за 18 оборотов платформы 11. Начало траектории определяется координатами начала региона считывания, а длина зависит от количества измеряемых спектров и времени накопления каждого спектра. Как правило, количество измеряемых спектров осветителя в одной серии измерений равно 40. В интервале времени, требуемом для сбора этой серии спектров, световой пучок прямого оптического контроля рисует почти линейный след на вращающейся подложке. Длина этой траектории меньше 1 сантиметра.
Подложки могут иметь размеры до (80×60) см, а их вес может составлять до 100 кг. По этим причинам конструкция подложкодержателей 7 и их креплений к механизму вращения должна быть достаточно надежной. Вследствие этого подложкодержатель 7 крепится к валу 12 таким образом, что иногда во время снятия спектров пропускания покрытия подложки световой луч оптического контроля 22 перекрывается элементами крепления. Необходимо отсеивать такие поврежденные данные. Поэтому с помощью программного обеспечения установки в каждой серии измеренных спектров осветителя 16 определяется спектр с максимальной интенсивностью сигнала. Затем спектры с интенсивностью сигнала менее 99,8% от максимального значения отбрасываются, а спектры с интенсивностью более 99,8% от максимального значения подвергаются дальнейшей обработке. Таким образом, отсеиваются спектры даже с частичным перекрытием.
Количество измеренных спектров осветителя 16 в серии задается оператором. Для уменьшения уровня спектральных шумов с помощью программного обеспечения производится усреднение каждой серии измеренных спектров осветителя 16. Только после усреднения спектров осветителя 16 производится вычисление спектров пропускания. Далее, так как соседние пиксели спектров пропускания не могут сильно отличаться значениями, то для каждого пикселя спектра пропускания рассчитывается среднее значение коэффициента пропускания на основании значений соседних с ним пикселей. Данная операция также позволяет снизить случайные шумы. Количество соседних пикселей, по значениям которых производится усреднение, задается оператором. Кроме того, производится сглаживание спектральных шумов путем аппроксимации спектральной кривой методом сплайна с настраиваемыми параметрами.
Контроль скорости напыления осуществляется с помощью кварцевых датчиков 31. Каждый кварцевый датчик имеет два кварцевых резонатора, каждый из которых предназначен для контроля скорости строго определенного распыляемого материала. Один датчик расположен в центре вакуумной камеры 1, а другой - ближе к стенке. Информация о скорости напыления отображается на контроллере Inficon IC6.
-2
-6
Данный способ реализуется следующим образом. Подложки закрепляются в подложкодержателях 7 и помещаются в вакуумную камеру 1, которая герметизируется и откачивается сначала форвакуумными насосами до давления 5 × 10 мБар, а затем криогенными насосами до давления 5×10 мБар. В программное обеспечение установки загружается конструкция многослойного покрытия для осуществления широкополосного оптического контроля, расчетные спектральные характеристики каждого слоя в отдельности и покрытия в целом отображаются на экране компьютера 23. Задается стратегия напыления слоев покрытия по образцам-свидетелям держателя 8 и с помощью пульта управления устанавливается образец-свидетель, соответствующий напылению 1-го слоя покрытия. Включается осветитель 16. После включения механизма вращения производится автоматическая калибровка регионов считывания спектров. Далее проводится ионная очистка подложек 9 с помощью ионного источника 5. Затем после разогрева электронно-лучевого испарителя 3 с материалом 1 -го слоя открывается заслонка 4 и материал покрытия осаждается на поверхности подложек 9 и образца-свидетеля. Контроль скорости напыления осуществляется с помощью кварцевых датчиков 31. На каждом обороте подложки 9 и держателя 8 образцов-свидетелей вокруг оси вакуумной камеры 1 посредством широкополосного оптического контроля автоматически измеряется спектр пропускания покрытия подложки 9 и образца-свидетеля. За один оборот последовательно выполняются измерения на всех трех вращающихся подложках 9 и образце-свидетеле. В процессе напыления слоя покрытия автоматически рассчитывается значение функции невязки прямого оптического контроля для напыляемого слоя. Когда функция невязки прямого оптического контроля достигает минимума, то есть измеряемая спектральная кривая на экране компьютера 23 совпадает с расчетной, оператор останавливает напыление текущего слоя, закрывая заслонку 4 соответствующего электронно-лучевого испарителя 3. С помощью программного обеспечения установки автоматически определяется калибровочный коэффициент для данного слоя. После этого с помощью пульта управления в позицию для напыления устанавливается образец-свидетель, предназначенный для напыления 2-го слоя покрытия согласно стратегии напыления. Затем после разогрева электронно-лучевого испарителя 3 с материалом 2-го слоя открывается заслонка 4 и материал покрытия осаждается на поверхности подложек 9. Далее последовательность действий повторяется для каждого слоя вплоть до того слоя включительно, на котором значение минимума функции невязки прямого оптического контроля становится более 1%. После этого слоя контроль напыления осуществляется с помощью косвенного оптического контроля, то есть остановка напыления каждого слоя и переход к напылению следующего слоя осуществляется при достижении минимума функции невязки косвенного оптического контроля. Толщины слоев покрытия для образца-свидетеля вычисляются автоматически путем деления расчетной толщины покрытия на подложке на калибровочный коэффициент распыляемого материала. В качестве значений калибровочных коэффициентов для каждого распыляемого материала, используемых для вычисления толщин слоев покрытия образца-свидетеля, как правило, используется среднее значение калибровочных коэффициентов нескольких последних слоев соответствующего материала, контроль напыления которых происходил с помощью прямого оптического контроля.
Экспериментально были получены следующие результаты использования заявленного способа и установки. На фиг. 4 представлено сравнение ошибок в толщинах слоев 32-слойного поляризующего покрытия, напыленного заявленным способом и способом, взятым за прототип (патент RU №2690232, «Способ нанесения многослойного покрытия на оптические подложки и установка для осуществления способа»). В обоих процессах контроль напыления первых 20 слоев осуществлялся с помощью прямого оптического контроля, а последних 12 слоев - с помощью косвенного оптического контроля. Величина ошибки в толщинах слоев определялась с помощью программного комплекса OptiRE как отношение фактически напыленной толщины слоя к расчетной толщине слоя. Из рисунка видно, что при напылении по заявленному способу ошибки в толщинах слоев заметно меньше, чем при напылении по способу, взятому за прототип.