Устройство для измерения спектров отражения слоев многослойного покрытия в процессе их напыления

Полезная модель относится к области приборостроения, а именно к установкам для напыления в вакууме многослойных покрытий различных оптических элементов, и может быть использована для контроля толщины покрытий в широком спектральном диапазоне в процессе их напыления.
Нанесение многослойных покрытий осуществляют в вакуумной камере путем многократного последовательного напыления слоев материалов с разными показателями преломления и измерения спектров отражения или пропускания слоев на контрольных подложках, которые напыляют одновременно с рабочими подложками.
Известно устройство для измерения спектров отражения слоев многослойного покрытия в процессе напыления, описанное в изобретении по патенту РФ №2527670 от 10.01.2012 г. «Способ измерения толщин нанометровых слоев многослойного покрытия, проводимого в процессе его напыления».
Устройство содержит размещенные в вакуумной камере контрольные подложки, поочередно устанавливаемые в позицию для напыления слоев многослойного покрытия одновременно с рабочими подложками. Контрольные подложки служат для измерения спектров отражения слоев покрытия посредством измерительной системы, включающей размещенные вне вакуумной камеры оптически связанные источник излучения белого света, объектив, проецирующий излучение в плоскость контрольной подложки, и объектив, проецирующий отраженное от нее излучение посредством волоконно-оптического кабеля в спектрометр. Спектрометр связан с ЭВМ, оснащенной программой визуализации спектров отражения слоев покрытия.
В данном устройстве контрольные подложки поочередно устанавливаются в позицию для контроля толщины напыляемого слоя посредством вращающегося барабана.
Источник излучения и оба объектива размещены со стороны камеры, где находятся испарители материалов. Излучение, проецируемое в плоскость напыляемой контрольной подложки и отраженное от нее излучение проходят через всю вакуумную камеру.
Как следует из приведенных в описании изобретения чертежей, контрольные подложки выполнены в виде плоско-параллельных пластин.
Указанное устройство имеет недостаточно высокую точность измерения спектров отражения от контрольных подложек. При использовании контрольных подложек в виде плоско-параллельных пластин регистрируется отраженное излучение не только от напыляемого слоя, но и от ненапыляемой стороны подложки, что приводит к ошибке определения коэффициента отражения слоя и, следовательно, к ошибке определения толщины слоя.
Кроме того, т.к. излучение проходит через всю вакуумную камеру, возникают ошибки определения коэффициентов отражения из-за паразитных засветок от напыляемых материалов и ионных источников в вакуумной камере, а также из-за попадания напыляемых материалов на входное окно камеры.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому -прототипом - является устройство для измерения спектров отражения слоев многослойного покрытия в процессе их напыления по патентному документу US 2003147084 (А1), опубликованному 07.08.2003 г.
Устройство содержит установленные в вакуумной камере контрольные подложки, поочередно устанавливаемые посредством вращающегося барабана в позицию для напыления одновременно с рабочими подложками и измерения спектра отражения, и размещенные вне вакуумной камеры источник излучения, объектив, проецирующий посредством волоконно-оптического кабеля излучение на контрольную подложку, и объектив, проецирующий отраженное от нее излучение посредством волоконно-оптического кабеля в приемник излучения (спектрометр), фиксирующий спектр отраженного от подложки излучения.
Источник излучения и объективы размещены со стороны вакуумной камеры, противоположной стороне, где находятся испарители материалов, таким образом, проецируемое и отраженное от контрольной подложки излучение через вакуумную камеру не проходит.
Данное устройство дополнительно содержит кварцевые микровесы, с помощью которых дополнительно производится контроль физической толщины каждого слоя. Контрольные подложки выполнены в виде плоскопараллельных пластин.
Устройство имеет следующие недостатки.
1. Недостаточная точность измерения коэффициентов отражения. Т.к. контрольные подложки выполнены в виде плоско-параллельных пластин, отраженное от ненапыляемой поверхности контрольной подложки излучение также попадает через волоконно-оптический кабель в спектрометр и учитывается вместе с излучением, отраженным от напыляемой поверхности.
2. При замене контрольных подложек на другие, имеющие другой показатель преломления, необходимо выполнить дополнительные действия для учета отражения от ненапыляемой поверхности контрольной подложки, например, проводить колибровку устройства.
Техническая проблема заключается в получении следующего технического результата: повышение точности измерения спектров отражения слоев покрытия и обеспечение возможности использования устройства для измерения коэффициентов отражения контрольных подложек с разными показателями преломления без дополнительной колибровки. Указанный технический результат достигается следующим образом. Устройство для измерения спектров отражения слоев многослойного покрытия в процессе их напыления, как и прототип, содержит размещенные в вакуумной камере контрольные подложки, поочередно устанавливаемые в позицию для напыления одновременно с рабочими подложками и для измерения спектра отражения, и размещенные вне вакуумной камеры оптически связанные источник излучения белого света, первый объектив, проецирующий излучение в плоскость напыляемой контрольной подложки, и второй объектив, проецирующий отраженное от нее излучение посредством волоконно-оптического кабеля в спектрометр. В отличие от прототипа в нем выполнено следующее: контрольные подложки имеют клиновидную форму с углом клина от 2,5° до 5,5°, при напылении установлены в плоскости падающего и отраженного луча относительно главного сечения клина и ориентированы таким образом, что отраженное от напыляемой поверхности излучение посредством второго объектива проецируется в волоконно-оптический кабель, а отраженное от ненапыляемой поверхности излучение на второй объектив не попадает.
Контрольные подложки могут быть размещены на диафрагменном диске или на вращающемся барабане и устанавливаться в позицию для напыления соответственно с помощью сепаратора или вращающегося барабана.
Контрольные подложки могут выполняться в виде сегментов, соразмерных отверстию в диафрагменном диске и размещаться в кольцевом углублении на диафрагменном диске с их поочередной установкой посредством сепаратора напротив отверстия диска, оптически связанного с упомянутыми объективами. Это обеспечивает однозначное совмещение главной плоскости клина с плоскостью, проходящей через оптические оси объективов.
Заявляемое устройство представлено на чертеже.
На чертеже обозначены: 1 - вакуумная камера, 2 - источник излучения, 3,4 - объективы; 5 - волоконно-оптический кабель, 6 -спектрометр; 7 - входное/выходное оптическое окно вакуумной камеры; 8 - диафрагменный диск; 9 - контрольная подложка; 10 - грибовидный держатель; 11 - рабочие подложки; 12, 13 - испарители материалов.
Устройство содержит размещенные в вакуумной камере 1 контрольные подложки (на чертеже показана одна напыляемая контрольная подложка 9), закрепленные на диафрагменном диске 8, и размещенные вне вакуумной камеры 1 оптически связанные источник излучения 2 белого света (например, лампа накаливания), объектив 3, проецирующий излучение в плоскость контрольной подложки 9, установленной в позицию для напыления, и объектив 4, проецирующий отраженное от нее излучение посредством волоконно-оптического кабеля 5 в спектрометр 6.
В вакуумной камере 1 размещены испарители материалов 12, 13 с различными показателями преломления. Напыляемая контрольная подложка 9 посредством сепаратора (не показан) установлена напротив отверстия диафрагменного диска 8 в позицию для напыления слоя одним из испарителей материалов 12, 13 одновременно с рабочими подложками 11, а также для одновременного с напылением измерения ее спектра отражения излучения.
Контрольные подложки 9 имеют клиновидную форму с углом клина не более 5,5°. Напыляемая контрольная подложка 9 установлена в плоскости падающего и отраженного луча относительно главного сечения ее клина и ориентирована таким образом, чтобы отраженное от ее напыляемой поверхности излучение посредством объектива 4 проецировалось в волоконно-оптический кабель 5, а отраженное от ненапыляемой поверхности излучение на объектив 4 не попадало.
В процессе напыления измеряют в заданном спектральном диапазоне спектры отражения слоев покрытия на контрольной подложке 9, показывающие динамику напыления слоя. Свет из источника излучения 2 объективом 3 через оптическое окно 7 проецируется на напыляемую поверхность контрольной подложки 9, отраженное излучение фокусируется объективом 4 и волоконно-оптическим кабелем 5 переносится в спектрометр 6. Измеренную спектральную характеристику, наблюдают на экране монитора подключенной к спектрометру ЭВМ (на чертеже не показана), оснащенной соответствующими программами.
Т.к. контрольная подложка 9 имеет клиновидную форму, излучение от ее ненапыляемой поверхности отражается под отличным от напыляемой поверхности углом, на объектив 4, в волоконно-оптический кабель 5 и в спектрометр 6 не попадает и не учитывается в спектре отражения слоя покрытия.
Такое устройство не требует дополнительной колибровки устройства для подложек с другим показателем преломления.
Результаты проведенных исследований показали, что практически величина угла клина контрольных подложек 9 с известными показателями преломления 1,50+1,80 может составлять 2,5° 5,5°. Клиновидность менее 2,5° не обеспечивает разделение отраженных лучей от напыляемой и ненапыляемой поверхностей контрольных подложек 9 или требует увеличения расстояния от контрольной подложки 9 до объективов 3 и 4, что приводит к увеличению габаритов устройства. При клиновидности более 5,5° точность измерения спектра отражения снижается из-за влияния дисперсии материала контрольной подложки 9, т.к. в отраженном от напыляемой поверхности подложки 9 пучке лучей возникает хроматизм положения.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерения спектров отражения слоев напыляемого покрытия без дополнительной колибровки устройства для подложек с разными показателями преломления.