УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
DEVICE FOR SPRAYING AN ANTIREFLECTION COATING OF A PHOTOCONVERTER

Изобретение относится к электронной технике, в частности к инструментам для изготовления просветляющего покрытия фотопреобразователя.
Известна маска для напыления пленочных элементов на подложку (патент РФ №2003735, опубл. 30.11.1993 г.), имеющая отверстия заданного размера, выполненные в соответствии с конфигурацией пленочных элементов, при этом на расстоянии 5÷100 мкм от плоскости пластины, прилегающей к поверхности подложки, отверстия имеют размер, превышающий заданный размер отверстий на 50÷2000 мкм.
Недостаток маски данной конструкции применительно к напылению просветляющего покрытия фотопреобразователя с трехкаскадной структурой Ga(In)As/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке, заключается в сложности обеспечения равномерного прижатия диэлектрической маски к контактным площадкам, находящимся на краю фотопреобразователя из-за перекосов маски.
Признак данной конструкции, общий с предлагаемым устройством для напыления просветляющего покрытия, - применение маски с отверстиями заданного размера определенной конфигурации.
Известно устройство для формирования топологического рисунка в тонкой пленке (патент РФ №2063473, опубл. 10.07.1996 г.), наносимой в вакууме на подложку, содержащее металлическую маску из ферромагнитного материала, размещенную на лицевой стороне подложки, и магнит, расположенный с противоположной по отношению к маске стороны подложки, удерживающий и прижимающий маску к подложке. Для защиты тыльной стороны подложки от механических повреждений между плоскостью магнита и подложкой введена прокладка из диамагнитного материала, например дюраль-алюминия, толщиной 1,5 мм.
Недостатки данного устройства, применительно к напылению просветляющего покрытия фотопреобразователя, заключаются в том, что совмещение маски с контактами фотопреобразователя выполняется вручную, что непроизводительно; в процессе напыления из-за вибраций возможно смещение маски и «подпыл» контактов, что недопустимо; ферромагнитные маски, изготавливаемые, например, из листа сплава НК-29 (ковар) толщиной 0,15 мм, деформируются в процессе использования и подлежат периодической замене, что неэффективно.
Признак, общий с предлагаемым устройством для напыления просветляющего покрытия, - применение маски, расположенной на лицевой стороне подложки.
Известно устройство для напыления в вакууме тонких слоев многослойных изделий (патент РФ №2432417, опубл. 27.10.2011 г.), принятое за прототип, в котором используется маска из ферромагнитного материала, расположенная с лицевой стороны подложки, и магнит с плоской верхней поверхностью, расположенный с противоположной к маске стороны подложки. Кроме того, вышеуказанное устройство содержит корпус с плоской верхней поверхностью и плоским гнездом для подложки, глубина которого выполнена такой, чтобы нижняя поверхность маски, верхняя поверхность подложки и верхняя плоская поверхность корпуса были расположены в одной плоскости, а дно плоского гнезда образовано плоской верхней поверхностью встроенного в корпус вышеуказанного магнита; при этом на боковых поверхностях плоского гнезда по периметру выполнены упоры и расположенные с противоположных сторон относительно упоров прижимные винты, фиксирующие положение подложки в гнезде; корпус на плоской верхней поверхности имеет выступы, фиксирующие положение маски, снабженной посадочными отверстиями под вышеупомянутые выступы.
2
2
3
Недостаток данного устройства для напыления просветляющего покрытия фотопреобразователя заключается в необходимости использования постоянных магнитов. Силовое поле сильных магнитов оказывает возмущающее влияние на заряженные частицы при плазменном ассистировании напыления, в результате просветляющее покрытие TiO/AlO неоднородно и имеет недостаточную адгезию. Слабые магниты не обеспечивают надежного прижатия маски к поверхности контактных площадок фотопреобразователя, что в условиях вибраций при вращении карусели с пластинами в установке приводит к смещению маски и недопустимому «подпылу» контактов.
При расположении контактных площадок фотопреобразователя по периферии подложки необходимо изготавливать несколько накладных масок различной конфигурации с посадочными отверстиями. Фотопреобразователь должен находиться в углублении корпуса, чтобы исключить перекос маски, в то же время толщина подложки фотопреобразователя может варьироваться от 160 мкм до 80 мкм, в результате возникает недопустимый зазор между контактными площадками и маской.
Признаки прототипа, общие с предлагаемым устройством, следующие: использование маски, расположенной с лицевой стороны подложки, и корпуса с посадочными гнездами, в которых фиксируется положение положки.
Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, заключается в увеличении выхода годных фотопреобразователей.
Достигается это тем, что в устройстве, содержащем маску, расположенную с лицевой стороны подложки, и корпус с посадочными гнездами, в которых фиксируется положение подложки, маска и корпус выполнены в виде цельной металлической рамки, снабженной отверстиями, имеющими конфигурацию фотопреобразователя, под посадочные гнезда, причем размеры отверстий превышают размеры фотопреобразователя на величину от 0,1 до 0,2 мм, кроме того, контактные площадки фотопреобразователя расположены на плоских выступах маски, имеющих толщину от 0,1 до 0,5 мм и расположенных по периметру отверстий под посадочные гнезда, при этом напыляемые поверхности маски и корпуса расположены в одной плоскости, кроме того, с тыльной стороны фотопреобразователя в посадочных гнездах расположены также металлизированные кремниевые подложки, с помощью которых контактные площадки прижаты к маске посредством пластинчатых пружин, закрепленных на рамке, а поверхность плоских выступов маски со стороны контактных площадок покрыта слоем термически и химически стойкого полимерного материала с напыленным на него и на поверхность цельной металлической рамки слоем металлизации.
Отличительные признаки предложенного устройства для напыления просветляющего покрытия, обеспечивающие его соответствие критерию «новизна», следующие: маска и корпус выполнены в виде цельной металлической рамки, снабженной отверстиями, имеющими конфигурацию фотопреобразователя, под посадочные гнезда, причем размеры отверстий превышают размеры фотопреобразователя на величину от 0,1 до 0,2 мм, кроме того, контактные площадки фотопреобразователя расположены на плоских выступах маски, имеющих толщину от 0,1 до 0,5 мм и расположенных по периметру отверстий под посадочные гнезда, при этом напыляемые поверхности маски и корпуса расположены в одной плоскости, кроме того, с тыльной стороны фотопреобразователя в посадочных гнездах расположены также металлизированные кремниевые подложки, с помощью которых контактные площадки прижаты к маске посредством пластинчатых пружин, закрепленных на рамке, а поверхность плоских выступов маски со стороны контактных площадок покрыта слоем термически и химически стойкого полимерного материала с напыленным на него и на поверхность цельной металлической рамки слоем металлизации.
Для обоснования соответствия предлагаемого устройства для напыления просветляющего покрытия фотопреобразователя критерию «изобретательский уровень» был проведен анализ известных решений по литературным источникам, в результате которого не обнаружено технических решений, содержащих совокупность известных и отличительных признаков предлагаемого устройства, дающих вышеуказанный технический результат. Поэтому, по мнению автора, предлагаемое устройство для напыления просветляющего покрытия фотопреобразователя соответствует критерию «изобретательский уровень». Предложенное устройство для напыления просветляющего покрытия фотопреобразователя обеспечивает однородное осаждение диэлектрических слоев в условиях плазменного ассистирования с нагревом без «подпыла» контактных площадок для подложек варьируемой толщины.
Фиксация положения подложки и контактных площадок фотопреобразователя относительно маски осуществляется за счет заданной величины превышения от 0,1 до 0,2 мм размеров отверстий, имеющих конфигурацию фотопреобразователя, под посадочные гнезда, над размерами фотопреобразователя, при этом дополнительного совмещения не требуется. Плоские выступы маски толщиной от 0,1 до 0,5 мм, расположенные по периметру отверстий под посадочные гнезда, закрывают область контактных площадок с минимальным затенением рабочей поверхности фотопреобразователя.
Равномерность прижатия маски к контактным площадкам гибких фотопреобразователей обеспечивается с помощью плоских кремниевых подложек, расположенных в посадочных гнездах с тыльной стороны фотопреобразователей, посредством пластинчатых пружин, закрепленных на рамке. Поверхность плоских выступов маски со стороны контактных площадок покрыта эластичным слоем термически и химически стойкого полимерного материала, предотвращающего механическое повреждение слоев металлизации Ag/Au. Термическая стойкость необходима для сохранения полимерным покрытием гладкой поверхности и эластичности в условиях нагрева и прижатия к контактным площадкам фотопреобразователя. Химическая стойкость полимерного покрытия необходима для использования при напылении кислородной плазмы и периодической очистки устройства стравливанием напыленных диэлектрических слоев.
Устройство для напыления просветляющего покрытия фотопреобразователя иллюстрировано на чертеже (фиг. 1) и на фотографиях (фиг. 2-5).
Устройство для напыления просветляющего покрытия на лицевую сторону подложки фотопреобразователя с эпитаксиальными слоями 1 (фиг. 1) состоит из рамки 2, снабженной отверстиями 3 под посадочные гнезда 4, в которых расположена подложка фотопреобразователя 5, имеющая на лицевой стороне с эпитаксиальными слоями 1 контактные площадки 6, которые закрыты маской 7. Маска 7 снабжена плоскими выступами 8, расположенными по периметру отверстий 3, при этом напыляемые поверхности маски 7 и корпуса 9 расположены в одной плоскости. Подложка фотопреобразователя 5 имеет металлизированную тыльную сторону 10, на которой расположена металлизированная кремниевая подложка 11, которая, в свою очередь, прижата к тыльной стороне 10 подложки фотопреобразователя 5 пластинчатыми пружинами 12, закрепленными на рамке 2 винтами 13. Контактные площадки фотопреобразователя 6 расположены на слоях полимерного материала 14 и на напыленной на него металлизации 15. Кремниевые подложки 11 покрыты со всех сторон слоем металла 16.
На фиг. 2 изображен вид контактных площадок фотопреобразователя с лицевой стороны подложки; на фиг. 3 изображен вид рамки с отверстиями под посадочные гнезда и пластинчатыми пружинами; на фиг. 4 изображен вид рамки с кремниевыми подложками в посадочных гнездах; на фиг. 5 изображен вид устройства после напыления просветляющего покрытия на фотопреобразователи.
Пример конкретного использования предлагаемого устройства
+
2
2
3
Предлагаемое устройство для напыления просветляющего покрытия фотопреобразователя используется в технологии изготовления трехкаскадных фотопреобразователей с эпитаксиальной структурой Ga(In)As/GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке диаметром ∅100 мм. Предварительно напыляют лицевые Cr/Ag/Au-Ge/Ag/Au контакты фотопреобразователей; далее выполняют меза-изоляцию химическим травлением; утоняют германиевую подложку химико-динамическим травлением до толщины 80÷90 мкм; затем напыляют тыльный Cr/Au/Ag/Au контакт фотопреобразователей; отжигают контакты; выравнивают пластины посредством охлаждения парами азота; разделяют пластины на чипы дисковой резкой; вскрывают оптическое окно фотопреобразователей стравливанием n-Ga(In)As контактного слоя. Далее напыляют просветляющее покрытие TiO/AlO.
Предлагаемое устройство для напыления просветляющего покрытия на лицевую сторону фотопреобразователя с эпитаксиальными слоями 1 выполнено в виде цельной металлической рамки 2 толщиной 2 мм из нержавеющей стали 12Х12Н10Т с отверстиями 3, имеющими конфигурацию фотопреобразователей, под посадочные гнезда 4.
Размеры посадочных отверстий, составляющие 40,2×80,2 мм, превышают размеры подложки фотопреобразователя 5 на заданную величину, в данном примере 0,2 мм - допустимой погрешности позиционирования подложки 5 и контактных площадок 6 фотопреобразователя относительно маски 7. Расширение посадочных отверстий 3 менее чем на 0,1 мм нежелательно по причине возможного заклинивания подложки 5 фотопреобразователя в посадочном гнезде 4 из-за погрешности вырезания посадочных отверстий 3 на электроэрозионном станке. Расширение посадочных отверстий 3 более чем на 0,2 мм также нецелесообразно из-за необходимости увеличивать размеры маски 7 и соответственно ей область затенения вблизи контактной площадки 6 фотопреобразователя.
Фотопреобразователь укладывают в посадочные гнезда 4 устройства лицевой стороной 1 подложки 5 вниз, контактными площадками 6 на маску 7, снабженную плоскими выступами 8 толщиной 0,3 мм, расположенными по периметру посадочных отверстий 3 рамки 2. Контактные площадки 6 с размерами 1,05×7 мм и 1,9×1,9 мм (в количестве 4 штук и 2 штук соответственно) находятся на краю противолежащих сторон подложки 5, что обеспечивает плоскопараллельное расположение подложки 5 относительно маски 7 и минимальное затенение рабочей поверхности фотопреобразователя.
2
2
3
Напыляемые поверхности маски 7 и корпуса 9 рамки 2 расположены в одной плоскости. С тыльной металлизированной стороны 10 подложки 5 фотопреобразователей в посадочных гнездах 4 располагаются кремниевые подложки 11 толщиной ~500 мкм, покрытые со всех сторон слоем металла 16, с помощью которых контактные площадки 6 прижаты к плоским выступам 8 маски 7 посредством пластинчатых пружин 12, закрепленных винтами 13 на рамке 2. Для изготовления пружин 12 используют ленту из безоловянной бериллиевой бронзы ДРРНТ 0,30×80НД. Плоские металлизированные кремниевые подложки 11 необходимы для равномерного прижатия контактных площадок 6 гибкого фотопреобразователя к маске 7, кроме того, защищается тыльная сторона 10 фотопреобразователя от «подпыла» рассеянными потоками испаряемых материалов. Кремниевые подложки 11 обладают необходимой прочностью и сохраняют плоскостность при нагреве. Применение выступов 8 маски 7 толщиной менее 0,1 мм нежелательно из-за снижения механической прочности и возможной деформации под действием прилагаемой нагрузки. При толщинах выступов 8 маски 7 более 0,5 мм и напылении просветляющего покрытия TiO/AlO электронно-лучевым способом (расстояние до испарителя ~70 см) ширина полосы низкоэффективного просветления (полутени) составляет более 30 мкм, что нецелесообразно. Поверхность плоских выступов 8 маски 7 со стороны контактных площадок 6 фотопреобразователя, из-за дефектов фрезерной обработки, покрывают слоем (толщиной ~40 мкм) эластичного полимерного материала 14, например, Insulating Таре (Kapton, Evatec) для предотвращения образования вмятин и царапин, ухудшающих качество сварки слоев Ag/Au контактной металлизации площадок 6 с внешними выводами. Термически и химически стойкие свойства используемого полимерного материала 14 позволяют выполнять процесс напыления просветляющего покрытия при температуре 140°С с плазменным ассистированием.
Слой полимерного материала 14, а также поверхность цельной металлической рамки 2 со стороны посадочных гнезд 4 запыляют слоем металлизации 15, который в сочетании с металлизированной со всех сторон кремниевой подложкой 11 и пластинчатыми пружинами 12 образует цепь короткого замыкания лицевого 6 и тыльного 10 контактов, что необходимо для защиты фотопреобразователя от токов разряда через плазму в процессе электронно-лучевого напыления материалов просветляющего покрытия.
2
В качестве слоев металлизации 15 и 16 используют Cr/Ag/Au толщиной ~5 мкм. Снятие электрического заряда с фотопреобразователя осуществляется через металлическую рамку 2. Периодически устройство очищают от напыленных диэлектрических слоев травлением в водном растворе плавиковой кислоты HF÷HO=1÷4.
2
2
3
При работе устройства для напыления просветляющего покрытия напыление просветляющий слоев TiO/AlO выполняют с использованием кислородной плазмы, что необходимо для улучшения оптических свойств покрытия.
Фиксация подложек 5 относительно маски 7 без дополнительного совмещения в посадочных гнездах 4 с заданной величиной расширения, равномерный прижим контактных площадок 6 к маске 7 за счет плоскостности жестких кремниевых подложек 11, отсутствие механических повреждений контактной металлизации 6 за счет слоя эластичного полимерного покрытия 14 на поверхности маски 7, отсутствие возмущающего поля постоянных магнитов при плазменном ассистировании напыления обеспечивают получение однородных слоев просветляющего покрытия с хорошей адгезией и отсутствие «подпылов» контактных площадок 6, в результате чего увеличен выход годных фотопреобразователей на ~1%.
В сравнении с методом «взрыва» просветляющего покрытия по фоторезистивной маске предлагаемое устройство снижает трудоемкость операции и применимо для изготовления фотопреобразователей на германиевой подложке толщиной менее 80 мкм.