Исследование влияния параметров процесса осаждения на формирование градиентных покрытий

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ГРАДИЕНТНЫХ

ПОКРЫТИЙ В.А. Дмитренко, Н.Н. Карасёв, Э.С. Путилин

Рассмотрены вопросы, посвященные влиянию различных технологических факторов на распределение толщины слоев по поверхности подложки при формировании градиентных покрытий на оптических деталях с использованием оснастки, выполняющей перераспределение молекулярного потока испаренного пленкообразующего вещества от малого поверхностного испарителя.

Большое внимание уделяется применению в лазерных резонаторах отражателей с переменным по поверхности коэффициентом отражения для улучшения их пространственно-энергетических характеристик. Отражатели представляют собой нанесенные на подложку многослойные диэлектрические покрытия, содержащие один или несколько градиентных слоев с переменным по поверхности детали профилем толщины. Важным моментом в технологии изготовления таких систем, основанной на вакуумных методах нанесения покрытий с использованием различной оснастки, является получение покрытий с заданными геометрическими и оптическими параметрами.

В процессе формирования покрытий данного типа с использованием масок - диафрагм круглой формы (рис. 1) необходимо рассмотреть влияние различных параметров оснастки: Н - расстояния от плоскости испарителя (И) до поверхности подложки и к -расстояния от плоскости испарителя до диафрагмы П1, ЯИ - расстояния от испарителя до оси вращения подложки, на распределение толщины осажденного слоя.

Рис. 1. Расположение детали, диафрагмы и испарителя во время осаждения

Толщина слоя в некоторой точке поверхности детали, сформированная осаждением материала через круглую диафрагму Б1 с учетом различных факторов, определена в выражении (1) [1, 2]:

где Р - расстояние от испарителя И до точки поверхности подложки, находящейся в зоне видимости испарителя, на которую проводится осаждение за время определяемое углом поворота <е[0;2п] подложкодержателя, в - коэффициент конденсации, определяющий отношение числа осажденных молекул к общему числу молекул, и - скорость испарения вещества, g - плотность образовавшегося слоя, ш - угловая скорость враще-

Н

К->1

Ям

ния приемной поверхности. Предположим, что коэффициенты: в, и, g, a в этом выражении постоянны во времени. Следовательно, основное влияние на толщину слоя в некоторой точке поверхности подложки оказывают параметры H, h, rD1 - радиус диафрагмы D1 (см. рис. 1).

Факторы, влияющие на распределение толщины градиентных слоев на подложке, можно разделить на:

1. начальные ошибки, возникающие до процесса осаждения:

а) при изготовлении элементов оснастки для формирования слоев с переменным профилем толщины;

б) при сборке и установке оснастки в вакуумной камере;

2. конечные ошибки, возникающие во время осаждения:

а) при изменении размеров элементов оснастки;

б) при возможной разъюстировке оснастки;

в) при изменении расстояния от испарителя до элементов оснастки.

Все эти ошибки приводят к тому, что при формировании слоев полученные профили толщины отличаются от расчетных. Фактор 1а имеет место при изготовлении любого изделия, детали и т.д., т.е. является технологическим фактором. В данном случае оснастка состоит из простых элементов, поэтому при ее изготовлении отсутствуют какие-либо технологические сложности, способные привести к возникновению начальных ошибок. Наиболее жесткие требования по допуску на отклонение размеров предъявляются к элементам оснастки D1 и D2, где D2 - отрезающая диафрагма, с помощью которых формируют требуемое распределение толщины, и к параметру Ah=H-h, особенно при его малых значениях.

Оснастка не является монолитной и, как любая другая сложная конструкция, состоит из множества элементов, многие их которых подвижны и после проведения юстировки фиксируются с помощью резьбовых соединений. При этом остаются некоторые погрешности - фактор 1б. Начальные ошибки 1а и 1б оказывают минимальное отрицательное воздействие на формирование толщины покрытия во время процесса осаждения.

Процесс осаждения является высокотемпературным процессом, поэтому изменение размеров элементов оснастки обусловлено их тепловым расширением. Фактор 2а проявляется в случаях, когда осаждение материала проводится длительное время, что может быть связано с формированием большого количества слоев с переменным профилем или большим значением толщины слоев, входящих в пленочную систему. Тепловое расширение материала проявляется, если формирование слоев необходимо проводить на нагретую до ^300°С поверхность подложки. Фактор 2б проявляется через некоторый промежуток времени после начала вращения приемной поверхности и связан с устройством схемы вращения подложкодержателя. При вращении оснастка подвержена небольшой вибрации, которая воздействует на связанные друг с другом с помощью резьбовых соединений элементы оснастки. Нагрев подшипников и зубчатых колес, с помощью которых осуществляется вращение подложкодержателя с оснасткой, увеличивает вибрацию - совместное проявление 2а и 2б.

В модели одинарного вращения (рис. 1) рассмотрено испарение из малого поверхностного испарителя, находящегося в плоскости тигля. Параметры H, h и, следовательно, расстояние P в математической модели осаждения рассчитывались от плоскости тигля. В реальном испарителе мишень имеет конечные размеры, и параметры рассчитываются от верхней границы плоскости реального испарителя вещества.

Вначале рассмотрим фактор 2в на примере испаряемого вещества в виде спрессованных из порошка таблеток. Отклонение ЯИ можно частично отнести к случаю, возникающему до процесса осаждения, так как установка одной или нескольких таблеток в одной секции выполняется с определенной погрешностью АКИуст. Во время осаждения

виде: ЯИср = И1 ^——, где ЯИ1 и ЯИ2 - крайние значения ЯИ, обозначающие границы

пучок электронов сфокусирован на поверхности испаряемого материала. При этом диаметр зоны, из которой происходит испарение вещества, может быть от 3 до 5 мм для диэлектрических пленкообразующих материалов. Следовательно, ЯИ определяется как расстояние от центра пятна до центра вращения подложкодержателя и представлено в

ЯИ, + ЯИ 2

зоны испарения. При увеличении числа электронов, бомбардирующих поверхность вещества, диаметр зоны испарения будет увеличиваться. В вакуумной установке ВУ1-А существует возможность сканирования пучком электронов по поверхности испаряемого материала с заданной частотой и амплитудой в плоскости испарителя. В этом случае при увеличении общей площади воздействия электронов энергия, приходящаяся на единицу поверхности, уменьшается. Размер зоны испарения увеличивается и ограничивается температурой плавления вещества, диаметром таблетки и размером тигля.

Если зона испарения соизмерима с диаметром таблетки, то за время осаждения параметр ЯИ практически не изменяется. После прогрева и дегазации таблетки в начальный момент испарения параметры Н и к имеют некоторые значения Нн и кн, несколько отличные от измеренных до осаждения от верхней плоскости испарителя, так как при этих процессах приповерхностная часть таблетки нагревается до температуры испарения, и часть вещества испаряется под заслонкой. В конце осаждения параметры имеют значения Нк и кк, которые могут значительно отличаться от начальных, в зависимости от длительности процесса испарения вещества. При создании многослойных пленочных систем используются, как минимум, два пленкообразующих вещества с разными показателями преломления [3]. Испарение материалов, расположенных в разных секциях, производится поочередно.

Если испаряемое вещество представляет собой колотую или порошкообразную массу, то, с одной стороны, АЯИ ср увеличится, с другой стороны, ее сложно оценить точно, так как сканирование пучка ограничивается только размером секции, в которой находится вещество. С определением Н и к до осаждения возникнут трудности вследствие того, что поверхность испаряемого вещества имеет сложную форму, отличную от плоской поверхности. Во время испарения колотой массы отклонения АН и Ак можно оценивать лишь приближенно. Необходимо отметить, что изменения рассмотренных параметров во время осаждения в большой степени зависят от количества и толщины слоев, от скорости осаждения.

Характер профиля толщины на поверхности детали, сформированного в вакууме с использованием круглой диафрагмы при одинарном вращении (рис. 1), имеет некоторые особенности (рис. 2):

• наличие зоны с максимальным или минимальным значением постоянной толщины в центральной части подложки;

• зона с переменным профилем толщины начинается от максимального или минимального значения и заканчивается минимальным значением толщины на краю детали или на некотором расстоянии от центра;

• характер переменного профиля толщины на рис. 2.1 является близким для всех случаев с максимальной толщиной в центре детали; аналогично, профиль толщины на рис. 2.2 является близким для всех случаев с минимальной толщиной.

Учитывая эти особенности, необходимо оценить влияние каждого параметра оснастки отдельно и в совокупности на распределение толщины. При проведении оценок взаимного влияния рассматриваемых параметров на профиль толщины необходимо учитывать, что они имеют ограничения линейных размеров. Это связано с тем, что взаимное расположение элементов оснастки при одинарном вращении определяется конструктивными особенностями и габаритами вакуумной установки ВУ1-А.

Рассмотрим влияние каждого параметра на формируемый профиль толщины от-

дельно друг от друга. Параметры взяты в следующих диапазонах: гд1=0.5-60мм, Ям=215-235мм, Н=480-500мм, к=370-499мм, Актп = (Н - к) = 1мм. При проведении оценок определено влияние этих параметров на различные участки покрытия: на радиальные размеры зоны профиля толщины по всей поверхности подложки - р, зоны постоянной толщины - рсот? и зоны с переменным профилем - ртг. В табл. 1 представлены результаты расчетов, полученных из выражений (2), которые использовались при проведении оценок этих параметров:

Р const

я- (' - -)+H-hr

> Ро =

- - ll + h J h

где Руаг=(Р0-Рссп81).

Например, при определении влияния го1 на размер зон фиксированными параметрами являются Н, к и ЯИ, и выражения (2) можно представить в виде линейной зависимости: р(гП1) = к • гП1 + Ь, где коэффициент пропорциональности к = Н / к определяет

интересующую нас зависимость р = /(А гВ1). При определении влияния параметров ЯИ и Н выражения (2) преобразованы в следующие линейные зависимости: р(ЯИ ) = к • ЯИ + Ь с угловым коэффициентом к =|1 - Н / к | и р(Н) = к • Н + Ь с угловым коэффициентом к = (гП1 ± ЯИ)/ к. Для параметра к выражения (2) преобразованы в зависимость р(к) = к •1 + Ь с коэффициентом к = Н(гВ1 ± ЯИ ). Следовательно, при по-к

стоянных параметрах Н, ЯИ, Гд1 отношение А р /А к будет зависеть от к. Выражения в общем виде с угловыми коэффициентами рассмотрены для оценки влияния на зоны Ртошл и р0. Для рУаг оценки проводились численно, см. (2). Таблица условно делится на три основных столбца. В первом столбце показана величина изменения радиуса диафрагмы го1 на 0.1мм при различных значениях остальных параметров в заданных пределах. Во втором столбце представлено минимальное и максимальное изменение радиальных размеров зон рсОп§1, рУаг, р0 для случая, когда в центре детали толщина максимальна (^/^0)ц=1 при заданном Атш. В третьем столбце - результаты для случая с минимальной толщиной в центре детали (^/^0)ц=0. Знак минус показывает, что при увеличении параметра на Ато1 размер зоны уменьшается на Ар. В таблице также представлены результаты влияния параметров ЯИ, Н, к на распределение толщины. Сравнивая полученные данные, можно сказать, что при отклонении рассматриваемых параметров на некоторую величину (0.1мм) и постоянстве других наибольшее влияние на радиальный размер зон оказывает радиус диафрагмы гв1. Из табл. 1.1 следует, что при отклонении го1 на постоянную величину максимально и минимально возможные изменения радиальных размеров зон рсОп§1 и р0 при вариации остальных параметров в заданных пределах (см. выше) совпадают по абсолютному значению в случае с максимальной и минимальной толщиной в центре детали. Исключение составляет изменение зоны с переменным профилем толщины. Параметр ЯИ оказывает наименьшее влияние на размер зон рсОш)1 и р0. При его отклонении изменения зон рсОп§1 и р0 также совпадают по абсолютной величине для ^/^0=1 и ^/^0=0, табл. 1.2. Из табл. 1.3 и 1.4 следует, что параметры Н и к оказывают близкое по абсолютному значению влияние на радиальные размеры зон покрытия, но противоположны по знаку. Однако не следует забывать, что отклонения значений ЯИ, Н и к от расчетных во время осаждения являются наибольшими по абсолютной величине.

Итак, показано, что влияние различных технологических факторов может привести к изменению характера распределения покрытия. В некоторой точке подложки толщина градиентного покрытия изменится, вследствие отклонения реальных параметров от расчетных, используемых в процессе моделирования.

1

ЯИ=215^235, Н=480^500, к=370^499, мм р, (¿М))ц=1 р, (й?/4)ц=0

АтП1, мм АреотЬ мм Ар^ат, мм Ар, мм АреотЬ мм АрЧат, мм Ар, мм

Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах

0.1 0.100 0.135 0 0 0.100 0.135 -0.100 -0.135 0.200 0.270 0.100 0.135

2

тА=0.5^60, Н=480^500, к=370^499, мм р, (¿М))ц=1 р, (й?/4)ц=0

АЯИ, мм Ареотг, мм АрШт, мм Ар, мм Ареоти мм АрШт, мм Ар, мм

Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах

0.1 -0.0002 -0.035 0.0004 0.070 0.0002 0.035 0.0002 0.035 0 0 0.0002 0.035

3

тА=0.5^60, Яи=215^235, к=370^499, мм р, (¿М))ц=1 р, (й?/4)ц=0

АН, мм Ареоти мм АрШт, мм Ар, мм Ареотг, мм АрШт, мм Ар, мм

Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах

0.1 -0.032 -0.049 0.086 0.127 0.043 0.080 0.043 0.063 0.0002 0.033 0.045 0.080

4

тД=0.5^60, Яи=215^235, Н=480^500, мм р, (¿М))ц=1 р, (й?/4)ц=0

Ак, мм Ареоти мм Артт, мм Ар, мм Ареоти мм Артт, мм Ар, мм

Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах Аш1п Ашах

0.1 0.031 0.065 -0.086 -0.174 -0.043 -0.109 -0.045 -0.086 -0.0002 -0.044 -0.045 -0.108

Таблица 1 Изменение радиального размера зон рсопэи ра, р покрытия с переменным профилем толщины в зависимости от изменения: 1. Ю1 - радиуса диафрагмы й1,

2. ИИ - расстояния между испарителем и центром вращения подложки, 3. Н - расстояния от испарителя И до поверхности подложки, 4. Л - расстояния от

испарителя И до диафрагмы Ю1Л.

Для представленных типов распределений (рис.2) изменение толщины на разных участках профиля градиентной пленки различны. Можно выделить несколько участков, которые будут характеризоваться величиной А^/Ар: область, близкая к границе перехода из зоны с постоянной толщиной в зону с переменной толщиной (А, рис. 2), область

перехода переменного профиля в нулевую толщину на краю детали (В, рис. 2) и область переменного профиля толщины (С, рис. 2).

Рис. 2 Типы профилей градиентных слоев: 1. с максимальной толщиной в центре детали, 2. с минимальной толщиной в центре детали,

Лр, мм

А С А С

0.1 «0.008-0.25 «0.0005-0.07 «0.001-0.14 «0.0002-0.01

Таблица 2 Изменение относительной толщины Л(с(/с(0) в зависимости от радиальной координаты рс шагом Лр=0.1мм, при различных параметрах оснастки и 0 подложки с

покрытием < 170 мм.

В табл. 2 представлено изменение относительной толщины Л(^/^о) в зависимости от радиальной координаты. Эти результаты характеризуют профиль толщины слоя, т.е. определяют его крутизну на различных участках для случаев с максимальной (й?/й?о)ц=1 и минимальной толщиной (й?/й?0)ц=0 в центре детали. Расчет профилей и оценки проводились при следующих параметрах оснастки: неизменные параметры - ^И=225мм, Я=490мм; параметры, изменяющиеся в заданных пределах - к=370-489мм, г^1>1мм. Верхняя граница параметра г^«75мм. Установленные параметры оснастки определяются конструкцией оснастки и габаритами вакуумной камеры. В первом столбце - величина изменения радиального размера р покрытия. Следующие два основных столбца содержат изменения относительной толщины в зонах А и С (рис. 2), соответствующие рассмотренным вариантам, для профилей толщины с максимальной (й?/й?0)ц=1 и минимальной (¿//^0)ц=0 толщиной в центре детали, соответственно, первый и второй столбец. Участки профилей толщины А и С являются наиболее интересными. В области А, на участке с переменным профилем после зоны постоянной толщины, наблюдается наибольшее изменение толщины, и в таблице представлены возможные перепады толщины на первых (от зоны р^О 0.5мм зоны раг. Отмечено, что для профилей, рассчитанных при одинаковых Лк (рис. 1), наибольшие перепады толщины проявляются в тех случаях, когда отношение радиальных размеров зон рсоП81 к р0 минимально, т.е. чем меньше зона рсоП8ь тем больше перепад толщины на участке А. Максимальные изменения толщины, представленные в таблице, наблюдаются при минимальном Лк (рис. 1), что связано с минимальным размером зоны руаг при постоянном шаге Лр. Эти свойства также относятся к выделенной части профиля В, однако, здесь изменение относительной толщины Л(^/^0) от Лр в несколько раз меньше. В зоне с переменным профилем руаг выделен условно линейный участок С, на котором зависимость толщины от радиальной

координаты минимальна. Длина этого отрезка и коэффициент линейности на нем также зависят от отношения зон рсоП81 и р0. Чем меньше отношение р^^/р^ тем меньше толщина зависит от р и тем больше длина "линейного" участка С. В профиле с минимальной толщиной в центре детали выделена небольшая область Б (рис. 2.2), толщина в которой практически не изменяется. Размеры отрезка Б обратно пропорциональны размеру зоны рсоП81 и пропорциональны диаметру диафрагмы (параметр тд1).

Однако конечной контролируемой характеристикой при создании градиентных пленочных систем является не толщина слоя или слоев, а распределение пропускания Г(р) или отражения Я(р). В многослойных диэлектрических системах, содержащих слои с переменным профилем толщины, спектральная характеристика задается сложными математическими выражениями. Так как толщина покрытия в некоторой точке на поверхности подложки определяет величину коэффициента отражения пленочной системы [4], то рассмотренные факторы, влияющие на профиль толщины, будут влиять на распределение Я(р). Для пленочных систем с разной структурой влияние на Я(р) различно.

Рассмотрим пример реализации зеркала со следующими параметрами. На поверхности подложки (стекло К8) диаметром 46мм необходимо сформировать пленочную систему, которая обеспечивала бы в центральной зоне, ограниченной радиальным размером рсоП81~6.6мм, на заданной длине волны коэффициент отражения Яд0^74%. На краю детали с радиальным размером р^22мм необходимо обеспечить остаточный коэффициент отражения Яост<0.5%. Максимальный коэффициент отражения будет обеспечивать 7-слойная диэлектрическая система: п8/В1/Н2/Вз/Н4/В5/Н6/В7, где ^=1.52, пВ=1.92, пН=1.45. Были рассмотрены различные варианты зависимостей 7-слойных систем данного типа [5], из которых была выбрана конструкция, удовлетворяющая значениям Я шах и Яост и при этом содержащая минимальное количество слоев с переменным профилем толщины 1+1(3,6) (рис. 3). Далее, подобрав параметры оснастки Н=490мм, к=465мм, ЯИ=225мм, тд1=17.8мм, рассчитываем распределение толщины слоев, при котором на краю детали Яост<0.5%. Для данной конструкции это условие выполняется на участке ре(21.3;22.6)мм. Была выбрана дополнительная пленочная конструкция 2+1+1(1,2,5,7) (рис. 3 - нижний ряд), удовлетворяющая условиям Я>пах и Яост. В данной конструкции профиль толщины, при котором обеспечивается заданное распределение Я(р), рассчитан при следующих параметрах: Н=490мм, к=460мм, ЯИ=225мм, т£)1=20мм. Дополнительным критерием выбора данной системы является то, что условие минимального отражения Яост<0.5% выполняется на значительно большем участке ре(20.6;24.6)мм. Следовательно, влияние различных ошибок, приводящих к отклонению профиля толщины слоев, в последней конструкции будет минимально в зоне с минимальным отражением, т. е. будет выполняться поставленная задача - получение заданного Я(р).

Характер распределения Я(р) многослойной диэлектрической системы по поверхности детали (подложки) будет определяться следующим:

• оптической толщиной слоев в центре детали;

• порядковым номером и показателем преломления слоев с переменным профилем толщины;

• характером распределения толщины слоев по поверхности детали.

Первая характеристика определяет величину Я в центральной зоне образца. Вторая оказывает влияние как на величину коэффициента отражения, так и на его распределение по поверхности подложки. Особое внимание следует уделить третьему фактору, так как управление распределением толщины слоя или слоев по радиальной координате является главной задачей при формировании покрытий с заданным распределением Я(р).

р, ММ Р, MM

Рис. 3. Варианты конструкций диэлектрических пленочных систем, обеспечивающих: Rmax&74% на pconsf-б.бмм, Яост<0.5% на р«22мм: 3,6 - (верхний ряд) структура 1 + 1(3,6), Rост<0.5% при ре(21.3; 22.6)мм, 1,2,5,7 - (нижний ряд) структура 2+1 + 1(1,2,5,7), Rост<0.5% при ре(20.6; 24.6)мм.

В работе проведена оценка влияния параметров оснастки на зоны градиентных покрытий двух типов: с максимальной и минимальной толщиной в центре детали. Определено, что наибольшее влияние оказывает параметр rD\, наименьшее - ЯИ. Показано, что влияние параметров на профиль толщины покрытия на разных участках различно. Рассмотрен пример выбора пленочных систем, обеспечивающих заданное распределение коэффициента отражения R(p).

Литература

1. Большанин А.Ф., Жиглинский А.Г., Парчевский С.Г., Путилин Э.С. Формирование пленок постоянной толщины на осесимметричной подложке // ОМП. 1978. №3. С.39-42.

2. Жиглинский А.Г., Путилин Э.С. Оптимальные условия формирования однородных тонких пленок // ОМП. 1971. №9. С. 46-49.

3. Борн М. , Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. 856 с.

4. P. H. Berning, Theory and calculations of optical thin films // In: "Physics of Thin Films (advanced in research and development)/ Vol.1" Ed. By G. Hass: Academic Press, p. 84-91, 1963.

5. Дмитренко В. А. Технология получения тонкопленочных покрытий с переменным отражением. Автореферат дисс. ... канд. техн. наук. (05.11.07) СПб ГУИТМО, -СПб, 2004. 20 с.