CC BY
79
УДК 669.049.44; 62-519
В. А. Глинкин, А. А. Бикташев, А. И. Любимов, А. И. Садрутдинов
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
МЕТОДАМИ РАСПЫЛЕНИЯ
Ключевые слова: оптические покрытия, ионное распыление, система оптического контроля.
Спроектирована и изготовлена промышленная установка для нанесения оптических покрытий методами маг-нетронного и ионно-лучевого распыления с системой шлюзовой загрузки изделий. Для управления процессом используется система оптического контроля, совмещенная с системой автоматического управления установкой. Обеспечивается высокая равномерность нанесения многослойных покрытий на изделиях диаметром до 220 мм.
Keywords: optical coating, sputtering, optical inspection system.
Designed and manufactured industrial plant for the application of optical coatings by magnetron and ion beam sputtering with a gateway product loading system. For process control uses a system of optical control, combined with automatic control system. It ensures high uniformity of deposition of multilayer coatings on products with a diameter up to 220 mm.
Сегодня рядом фирм выпускаются автоматизированные вакуумные технологические установки для нанесения оптических покрытий [1-4]. В большей части этих установок используются методы термического, катодного и электронно - лучевого испарения. Однако, в последнее десятилетие существенно выросло применение установок использующих методы ионного распыления, с применением магнетронных систем и ионных источников [5]. Это связано в первую очередь с лучшей адгезией получаемых покрытий, возможностью управления структурой покрытий и получением покрытий с малой пористостью.
Однако применение методов ионного распыления имеет ряд трудностей связанных с ограниченной формой зоны эрозии распыляемой мишени и, как следствие, сложностью обеспечения равномерности покрытия по поверхности и толщине. Для устранения этих трудностей необходимо применение специальных конструкторских и технологических решений, тщательного подбора как алгоритмов управления отдельными исполнительными элементами, так и системой в целом.
Была создана установка «ВАТТ 900Ш-6Л3МО» для прецизионного контролируемого нанесения однослойных и многослойных покрытий ионно-лучевым и маг-нетронным методами с использованием реактивного и нереактивного распыления материалов на подложки из оптических стекол и кристаллов в промышленных условиях. При создании установки основное внимание было уделено получению максимально геометрически равномерного распределения потока осаждаемого вещества по всей площади держателя с изделиями. Был разработан ряд новых конструктивных решений, некоторые из которых были запатентованы [6,7]. Максимальный размер загружаемых изделий 220мм. При первых испытаниях установки была получена равномерность покрытия по толщине +/-0,5% на образцах диаметром 120 мм и +/-1% на образцах диаметром 220мм.
Вакуумная система установки состоит из высоковакуумного турбомолекулярного и спирального форваку-умного насосов, а также клапанов и затворов с пневматическим приводом. Для контроля давления при проведении технологического процесса используется мем-
бранный ёмкостный датчик давления, показания которого не зависят от рода газа.
Установка имеет две вакуумные камеры - рабочую и шлюзовую, разделяемые между собой затвором (рис.1). При проведении процесса нанесения покрытия затвор между камерами открыт, и они составляют единое технологическое пространство.
Ш
Рис. 1 - Схема установки: 1 — шлюзовая камера; 2 - рабочая камера; 3 - шлюзовой затвор; 4 - механизм вращения и сканирования держателя изделий вверх-вниз (по вертикали); 5 — механизм подъема шлюзовой камеры; 6 — турбомолекуляр-ный насос
Шлюзовая камера предназначена для загрузки/выгрузки изделий без напуска воздуха в зону нанесения покрытий. Внутри шлюзовой камеры располагается узел держателя подложек, нагреватель и механизм, обеспечивающий вращение держателя с подложками и поступательное перемещение подложек вдоль оси вращения в пределах зоны напыления во время технологического процесса. Для загрузки держателя с изделиями закрывается затвор между камерами, и шлюзовая камера поднимается
вверх с помощью подъёмного механизма с пневмоприводом (рис.1).
Линейное перемещение кассеты с изделиями осуществляется посредствам модуля линейного перемещения на базе прецизионных шариковых опор линейного перемещения и сервопривода. Для нагрева подложек используется электронагреватель, а контроль температуры нагрева осуществляется термопарой. Обеспечивается нагрев и поддержание температуры в процессе напыления изделий до 400 С.
Внутри рабочей камеры расположены линейный ионный источник очистки изделий и ионно-лучевой источник распыления кольцевого типа на основе ускорителя с анодным слоем, а так же шестипозиционный
механизм поворота мишеней, три позиции которого занимают мишени магнетронов, а три позиции мишени для распыления ионным источником. Оба ионных источника снабжены системой компенсации объемного заряда.
Равномерность нанесения покрытия обеспечивается, во-первых геометрией расположения вращающегося держателя с изделиями относительно потока распыленного вещества, во-вторых перемещением держателя вдоль оси вращения в пределах зоны потока распыленного вещества, в-третьих созданием равномерного по сечению потока распыленного вещества (рис.2а).
Ппг1лп
Рис. 2 - Компоновка мишень - подложка: а - при работе с ионным источником; б - при работе с магнетроном
Ионный источник распыления закреплен на специальном механизме перемещения. Этот механизм обеспечивает равномерное перемещение источника вдоль оси мишени по задаваемому закону [6]. Данный источник формирует кольцевой ионный пучок, распространяющийся в промежутке между двумя условными вложенными друг в друга коническими поверхностями. При минимальном расстоянии от мишени зона распыления представляет собой кольцо на периферии мишени. При увеличении расстояния от мишени это кольцо уменьшается в диаметре и перемещается к центру мишени. На определенном расстоянии от мишени кольцевая зона распыления превращается в круг. При правильном выборе алгоритма перемещения источника относительно мишени, с учетом распределения потока ионов по кольцу распыления, удается обеспечить равномерный поток вещества в направлении плоскости изделий.
Оператор имеет возможность задавать, как алгоритм, по которому перемещается держатель подложек в вертикальном направлении, так и алгоритм по которому происходит перемещение ионного источника относительно распыляемой мишени.
При работе с магнетроном поток распыленного вещества проходит в направлении изделий через круговое отверстие ионного источника. При этом ионный источник располагается максимально близко к мишени, а щель ионного источника закрывается от запыления кольцевой заслонкой (рис. 2б). Используется конструк-
ция магнетронов с перемещающейся относительно мишени магнитной системой с возможностью планетарного вращения [7].
Система управления процессом нанесения включает в себя контроллер, и систему оптического контроля. Для ввода параметров и визуализации процесса нанесения используется компьютер с двумя мониторами. Один из них для визуализации и управления вакуумной системой и всеми механизмами установки, другой для оптической системы.
Исходные данные процесса вводятся в программу управления либо из файла параметров процесса, либо вручную и сохраняются в новом файле процесса. Система управления и контроля позволяет проводить процесс, как в ручном, так и полуавтоматическом и автоматическом режимах.
Системы оптического контроля предназначены для контроля процесса роста диэлектрических тонких пленок в вакууме при их нанесении с помощью различных методов нанесения покрытий [8,9]. При этом контроль производится, как на отражение, так и на пропускание, по «свидетелю» или по рабочей детали.
В установке применен контроль по рабочей детали, методом «на пропускание», поскольку он является наименее чувствительным к вращательному и поступательному движениям рабочей детали большого геометрического размера. У прямого контроля есть очевидное преимущество, поскольку
контроль оптической толщины пленки ведется непосредственно по рабочей детали, что исключает необходимость использования дополнительного «свидетеля». Этот способ позволяет избежать многих ошибок, которые вводятся факторами, связанными с оборудованием.
Система позволяет осуществлять контроль оптической толщины наносимой пленки при значительном уровне электрических и оптических шумов.
В состав системы оптического контроля входят:
1. автоматизированный монохроматор;
2. источник света;
3. оптическая система;
4. система фотоэлектрической регистрации;
5. программное обеспечение автоматизированного контроля процесса нанесения пленок.
Монохроматор обеспечивает как установку заданной длины волны при контроле процесса нанесения тонких пленок, так и измерение спектрального коэффициента пропускания интерференционной системы.
Система фотоэлектрической регистрации работает в диапазоне длин волн 0,38 - 2,7 мкм.
Автоматизированный комплекс обеспечивает контроль процесса нанесения покрытия, как в ручном, так и в автоматическом режиме работы установки.
Проект процесса нанесения (система тонких пленок) предварительно рассчитывается с помощью отдельной программы, и вноситься в управляющую программу контроллера установки. Ручной режим необходим для настройки процесса нанесения с целью выбора оптимальных режимов нанесения пленок и контроля их оптических толщин во время нанесения. Пример отладки процесса в ручном режиме приведен на рис.3.
Оператор самостоятельно запускает процесс, может приостановить или завершить его, а также провести пробное нанесение пленок. В этом режиме система оптического контроля работает только в качестве монитора, позволяющего следить за процессом нанесения в режиме реального времени.
Рис. 3 - Нанесение трехслойного по1
В автоматическом режиме система оптического контроля работает совместно с контроллером блока управления вакуумной установки. В контроллер предварительно вносится информация о наносимых веществах, порядке их нанесения, температуре подложки, длинах волн контроля каждого слоя покрытия из файла заданного процесса через цифровой интерфейс ввода/вывода (без участия оператора), что позволяет провести многократное нанесение на подложку ряда чередующихся слоев. После ввода информации о параметрах процесса по команде «Старт» (окно программы «Контроль процесса нанесения») производиться запуск (начало работы)
в ручном режиме (В - ТЮ2,Н - SiO2)
автоматической системы. При этом выполняются последовательные циклы начала и окончания нанесения каждого из слоев до достижения нужной конструкции многослойного покрытия.
Цикл завершается регистрацией всех данных в соответствующем файле. При этом по результатам нанесения может быть проведена корректировка параметров процесса.
В меню «Настройка» приводиться как служебная информация, необходимая для настройки оптической системы контроля в целом, так и изменяемые оператором параметры регистрации сигнала: ■ выбор диапазона рабочих длин волн,
■ установка режима работы по временным интервалам для каждого наносимого слоя,
■ расположение файлов параметров процесса нанесения,
■ число буферов накопления (время накопления),
■ вид вывода данных регистрации сигнала на монитор.
Использование таких источников напыления, как магнетрон или ионный источник, предъявляет высокие требования к электронной системе регистрации из-за высокого уровня электрических и оптических шумов. Поэтому в результате экспериментов на реальной вакуумной установке определялись уровни накопления и сглаживания электрического сигнала, реакция системы регистрации на появление «паразитных» пиков электрического сигнала с большой амплитудой, которые могут быть приняты программой регистрации и автоматического управления в качестве экстремума и могут привести либо к переходу к следующему циклу нанесения, либо к остановке процесса в целом.
Для перехода в автоматический режим работы в окне «Настройка» необходимо установить флаг «Защитить от изменения», перейти в основное окно программы и установить режим «Авто». В автоматическом режиме система оптического контроля переходит в ждущий режим и ожидает сигнала с пульта управления вакуумной установки о начале процесса нанесения пленки. При получении сигнала о начале процесса нанесения производиться регистрация экстремальных значений интенсивности излучения. В момент обнаружения экстремума (максимума или минимума) система оптического контроля передает на пульт управления установки сообщение о наступлении события. На рис.4а показан фрагмент работы в автоматическом режиме при достаточно высоком уровне шумов, однако система не реагирует на ложные «выбросы».
Следует отметить, что момент остановки процесса нанесения одной пленки, то есть определение момента достижения экстремума происходит с некоторым запаздыванием, что приводит к ошибке в определении оптической толщины пленки в сторону её увеличения.
Для устранения этого явления контроль ведется не по расчетной длине волны, а по длине волны несколько меньшей, позволяющей произвести коррекцию оптической толщины пленки и устранить этот эффект («проскок» экстремума).
Можно отметить (рис.4а), что довольно большие шумы, связанные с нестабильностью работы источника нанесения не влияют на правильную реакцию системы оптического контроля. На рис. 4б приведен фрагмент работы системы в автоматическом режиме, отлаженного процесса нанесения.
В созданной нами установке использованы все самые современные системы, начиная от системы сухой откачки и вакуумметрии, до системы оптического контроля. Все системы перемещения используют прецизионные приводы.
Установка позволяет наносить многослойной системы диэлектрических покрытий, с максимально
возможной, на сегодняшний день для магнетронных систем и ионных источников, равномерностью.
..........
\
/
\
\ !
/
\
1
\ ! Ч.
б
Рис. 4 - График зависимости фотоэлектрического сигнала от времени нанесения (фрагмент): а -высокий уровень шумов, б - средний уровень шумов
Однако, нужно отметить, что для получения наилучших результатов такая установка требует тщательного подбора всех алгоритмов перемещения изделий и источников, режимов работы системы распыления и настройки системы оптического контроля.
Литература
1. А.В.Белый, Г.Д.Карпенко, Н.К.Мышкин, Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. М.: Машиностроение, 1991, 157с.
2. М.М.Никитин, Технология и оборудование вакуумного напыления. М: Металлургия, 1992, 195с.
3. А.Ф.Первеев, Пористость тонких слоев, полученных нанесением в вакууме/ Первеев А.Ф., Муранова Г.А.// ОМП - 1974. - вып. 2. - С. 73 -74.
4. И.С. Гайнутдинов, Е.А. Несмелов, И.Б. Хайбуллин, Интерференционные покрытия для оптического приборостроения. Казань: Изд. «Фэн» , 2002, 592 с.
5. О. Д.Вольпян, Магнетронное нанесение оптических покрытий при питании магнетронов переменным напряжением средней частоты/ Вольпян О. Д., Кузьми-чев А. И.// Прикладная физика. - 2008. - №3. -С.34-51.
а
6. В.А. Глинкин, А.А. Бикташев, С.В. Панин, А.В. Горин, О.В. Желонкин, С.И. Саликеев, М.Х. Абдуев. Устройство для ионного распыления мишени и/или обработки поверхности объекта и способ его применения. -Пат. РФ: RU 2510735 C2 (2012).
7. А.А. Бикташев, В.А. Глинкин, С.В. Панин, А.В. Горин, О.В. Желонкин, С.И. Саликеев, М.Х. Абдуев. Распылительный узел плоского магнетрона. - Пат. РФ: RU 2500834 C2 (2011).
8. Р.Х. Фызылзянов, Исследование, разработка и оптимизация методов контроля толщины интерференционных покрытий при их нанесении в вакууме. Автореферат дис. канд. физ. - мат. наук, Казань,1984, 18 с.
9. А.Г. Гусев, Автоматизация контроля оптических толщин пленок в процессе нанесения интерференционных покрытий/ Гусев А.Г., Несмелов Е.А.// ОМП -1989. -№9. - С. 34-36.
© В. А. Глинкин - старший преподаватель кафедры ВТЭУ КНИТУ, [email protected]; А. И. Любимов - канд. физ. - мат. наук, консультант ЗАО «Ферри Ватт», [email protected]; А. А. Бикташев - генеральный директор ЗАО «Ферри Ватт», [email protected]; А. И. Садрутдинов - иженер конструктор ЗАО «Ферри Ватт», [email protected].
© V. A. Glinkin - senior lecturer Department of Vacuum Technology, KNRTU, [email protected]; A. 1 Lyubimov - doctor of phys.-mat. sciences, science consultant of "Ferri Vatt", [email protected]; A. A. Biktashev - General director of "Ferri Vatt", [email protected]; A. 1 Sadrutdinov - engineer of "Ferri Vatt", [email protected].
