Способ изготовления оптических структур и устройство для осуществления операции плавления

 

В способе изготовления оптических структур осуществляют операции маскирования, травления на поверхности подложки ступенчатой оптической основной структуры и операцию плавления. При операции плавления основную структуру помещают в вакуумную камеру и воздействуют на нее ускоренным высоким напряжением электронным лучом при одновременном его относительном перемещении перпендикулярно к образованной им в виде полосы на основной структуре зоны плавления. Перед плавлением подложку предварительно нагревают в вакуумной камере до температуры ниже температуры плавления или размягчения материала основной структуры. При отклонении структуры от заданной формы или корректируют форму маски, или вводят дополнительное подтравливание по контурам маски. Устройство содержит расположенный в вакуумной камере источник электронов, а носитель перемещают с помощью транспортного устройства с регулируемой подачей. Обеспечиваются высокая точность изготовления и узкий диапазон допусков оптических характеристик. 2 с. и 17 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение касается способа изготовления оптически эффективных структур, при котором по меньшей мере за один этап маскирования с последующим этапом травления на поверхности субстрата формируется ступенчатая оптически эффективная основная структура, которая затем на этапе плавления нагревается до плавления и выравнивается за счет капиллярных поверхностных сил расплавленного субстрата.

Подобный способ известен (Laser Focus Werld, 1991, стр. 93-99). Наиболее близкий метод заключается в том, что с помощью фотолитографического маскирования и последующего травления на поверхности субстрата создается приблизительно линзообразная структура, которая подвергается термической обработке, в результате чего возникает небольшой перенос массы, который при использовании определенных материалов приводит к образованию высококачественных линз. Литография проводится с помощью нескольких масок, с соответствующим выравниванием каждой из них, что позволяет сформировать линзу из совокупности последовательно протравленных ступенчатых структур. Термическая обработка приводит к полному расплавлению материала линзы, а также всего субстрата - носителя. При этом поверхностное напряжение создает деформирование всей поверхности и массы линзы, а также окружающего субстрата; хотя в результате этого достигается уменьшение ступенчатой структуры, однако сильно изменяются оптические параметры линзы, что приводит к оптическим дефектам и сильным разбросам и отклонениям характеристик линзы относительно заранее заданной характеристики.

Кроме того (Spectrum der Wissenschaft 1992, стр, 44-50, Veldkamp U.a., Binare Optic), известно вытравливание плоской дифракционной линзы на плоской стороне плоско-выпуклой рефракционной линзы, причем противоположные хроматические аберрации рефракционной и дифракционной оптики взаимно компенсируются и обеспечивается правильность цветовоспроизведения в широком спектральном диапазоне. Однако вытравленная рефракционная линза вследствие ее вытравленных ступенчатых торцовых поверхностей создает рассеянный свет, который уменьшает контраст изображения. Чтобы устранить этот дефект в широком диапазоне длин волн, предусмотрено использование большого количества этапов маскирования и травления, например до 12, причем травление необходимо осуществлять с убывающей высотой ступеней. Следствием этого являются высокие производственные затраты и значительная доля брака.

Далее (патент США N 4616363) известно устройство, в котором в вакуумной камере расположены источники электронов для создания электронного луча, который направлен перпендикулярно к облучаемому субстрату.

Задача изобретения - создание способа и устройства, которые обеспечивают промышленное изготовление структурированных оптических поверхностей, в частности совокупностей линз, с достижением высокой точности и узкого диапазона допусков оптических характеристик.

Задача решается тем, что на этапе плавления субстрат, несущий основную структуру, помещают в вакуумную камеру и затем подвергают ее воздействию ускоренного высоким напряжением электронного луча при одновременном ее относительном перемещении перпендикулярно к ленточной, образованной электронным лучом на основной структуре зоны плавления, при этом зона плавления имеет глубину, которая, по меньшей мере, соответствует высоте ступени ступенчатой основной структуры.

Электронный луч предпочтительно формируется с помощью линейной электроннолучевой пушки, анодное напряжение которой составляет несколько киловольт, так что попадающее на субстрат излучение соответственно выбивает из него большое количество вторичных электронов и происходит непрерывный заряд субстрата, и этот субстрат заряжается относительно источника электронов до такого напряжения, которое меньше энергии электронов электронного луча. Таким образом, посредством напряжения или количества электронов, созданных в источнике электронов, можно точно определять меру нагружения энергией луча в зоне плавления субстрата. В соответствии со скоростью подачи субстрата поперек протяженности зоны плавления можно точно контролировать глубину проникновения зоны плавления в субстрат. Это позволяет для заранее заданного субстрата соответственно выбирать для его условий плавления и поверхностного напряжения надлежащую ширину и глубину зоны плавления, которая позволяет осуществить совершенно определенное выравнивание ступеней, сформированных на предыдущем или предыдущих этапах создания основной структуры.

Соотношение напряжений между анодным напряжением и напряжением, до которого заряжается субстрат, предпочтительно может быть стабилизировано благодаря тому, что субстрат располагается на носителе, который имеет, по меньшей мере, на порядок величины меньшую удельную электропроводность, чем субстрат.

Благоприятным оказалось выбирать зону плавления глубиной примерно от 1 до 5 высот ступени, в частности примерно равной одной высоте ступени. Ширину зоны плавления выбирают равной в общем случае в несколько высот ступеней, в частности она составляет по меньшей мере от 2 до 20 ширин ступеней.

Процесс обработки может быть несколько видоизменен за счет размещения муфельной печи предварительного нагрева в вакуумной камере, в которой субстрат нагревают термостатически, прежде чем осуществить плавление поверхности. Предпочтительным является, если температура нагрева примерно на 50- 100K ниже температуры плавления или размягчения материала основной структуры. Это позволяет, например, выплавлять кварц, с помощью которого можно изготавливать высококачественные линзы и линзовые системы. Металлы, которые находят применение, например, в качестве оптических зеркал, также можно расплавлять с помощью электронного луча, причем в данном случае также можно рекомендовать предварительный нагрев.

Так как способ расплавления поверхности и тем самым устранения ступенчатой структуры позволяет производить чрезвычайно высококачественную оптику, предпочтительным оказалось учитывать возникающие при травлении и последовательном расплавлении зоны отклонений от идеальной формы при создании масок с точки зрения коррекции. Так, например, предусматриваются дополнительное подтравливание вдоль контуров и введение в маски направленно ориентированной предварительной коррекции, которая при расплавлении приводит к устранению обусловленных технологией дефектов.

Операция маскирования и травления или многократная последовательность этих операций могут осуществляться с помощью обычных методов фотолитографии, лазерной засветки материала масок, электронно-лучевой засветки материала масок, после чего, в зависимости от типа субстрата и требуемой точности, может осуществляться операция травления с помощью жидкого или газообразного травильного средства, в частности, также с помощью плазменного и ионного травления. В принципе, возможно также изготовление основной структуры с помощью механической обработки.

Способ, в частности, пригоден также для создания конфокальной планарной линзовой системы, ступени которой с помощью операции плавления скашиваются и скругляются на стороне кромок и основания таким образом, что устраняются мешающие воздействия торцовых поверхностей ступеней, а в необходимом случае и дефекты от подтравливания.

Обеспечиваемая способом высокая равномерность оптических параметров изготовленных линз линзовой системы позволяет осуществлять вышеописанное конфокально для всех линз тем, что отдельные линзы выполняются асферическими и в ходе операции плавления корректируются относительно оптических дефектов. Тем самым можно создавать совокупность линз с апертурой, приближающейся к апертуре 1, что весьма затруднительно при традиционно изготавливаемых отдельных линзах.

Новые линзы или линзовые структуры, как известно, могут наноситься предпочтительно в качестве компенсационных или корректирующих линз на плоскую поверхность рефракционных линз. С помощью способа выравнивания посредством плавления, в соответствии с изобретением, устраняются или в значительной степени снижаются свойства, уменьшающие контраст, обеспечиваемый протравленной ступенчатой структурой, так что для достижения такого же качества достаточно существенно меньшее количество ступеней. В общем случае достаточно одной единственной ступени.

Корректирующая линза может быть также расположена на отдельной пластине перед рефракционной линзой или после нее. Использование корректирующих линз можно предпочтительно предусматривать также в сочетании с высококачественными отдельными линзами, которые после их изготовления обмеряются, для чего, например, используется лазерное сканирующее устройство, погрешности отображения которого систематически оцениваются. С помощью полученных измеренных данных рассчитывается корректирующая для конкретного случая линзовая структура и затем изготавливается состав маски, который предназначен для изготовления корректирующих линз. При этом также путем дополнительного сплавления ступеней при поверхностном плавлении можно с помощью небольшого количества операций маскирования и травления изготавливать корректирующую линзу с небольшим рассеянием. Благодаря сплавлению образуются волнообразные профили плоских структур. Оптические свойства таких структур могут быть хорошо описаны математически, и, таким образом, с высокой точностью может быть осуществлен расчет маски, так как изменение структуры в результате сплавления ступеней может быть заранее определено и учтено в расчете.

С помощью способа в соответствии с изобретением предпочтительно можно выполнять также поверхностную световодную оптику. Так, например, в поверхностный световодный субстрат можно вводить конфокальные секторные структуры или также линзообразные углубления, фокус которых расположен в поверхностном световоде и ориентирован, например, на нитевидный или полосковый узкий световод или участок световода.

С помощью способа можно изготавливать также зеркальные поверхности вогнутых зеркал, систем вогнутых зеркал, оптических решеток и т.д. Структура может вводиться непосредственно в высококачественные отражающие металлические поверхности, например из серебра или хрома, или они могут создаваться на материале, на который дополнительно может быть нанесено зеркальное покрытие. Предпочтительно может осуществляться вакуумное нанесение зеркального покрытия на поверхность благодаря тому, что субстрат после завершения процесса расплавления подается к устройству для напыления в вакуумной камере.

Устройство для реализации способа предпочтительно рассчитано на множество субстратов, которые последовательно проходят через муфельную печь, в которой осуществляется предварительный нагрев, и затем проходят мимо электронного излучателя. Управление транспортировкой субстратов осуществляется с возможностью регулирования, точно так же осуществляется и регулирование работы различных электродов и источника электронов от устройства управления. Для регулирования целесообразным оказалось сравнение измеренного сигнала датчика излучения, ориентированного на зону плавления, с заранее заданной величиной излучения и осуществление регулирования таким образом, чтобы свести разность обеих величин к нулю.

На фиг. 1 представлен схематически процесс реализации способа; на фиг. 2 - устройство для реализации способа, поперечный разрез; на фиг. 3 - субстрат, поперечный разрез; фиг. 4 - вид поверхностного световода с оптической структурой; на фиг. 5 - линза с корректирующей пластиной.

На фиг. 1 представлена схема реализации способа. На субстрат 1 в ходе первой операции маскирования MS наносится покрытие, субстрат засвечивается и открывается и в ходе последующей операции травления AS ступенчато вытравливается. Для планарных структур достаточно одной операции маскирования и одной операции травления; для многомерных структур обе эти операции необходимо повторять многократно с соответствующими масками. Субстрат 1 с созданной таким образом основной структурой 10 выравнивается в ходе последующей операции плавления SS. Перед операцией плавления SS может выполняться операция предварительного нагрева HS благодаря тому, что субстрат 1 с основной структурой 10 нагревается до температуры предварительного нагрева VT, которая почти равна температуре плавления или размягчения основной структуры.

Операция плавления осуществляется с регулированием плотности энергии электронного луча, а также скорости подачи субстрата 1 перпендикулярно к распространению зоны плавления. С помощью датчика 45 излучения в качестве контрольной величины измеряется температура зоны плавления и подается в устройство управления ST в качестве фактической величины. Операция плавления SS выполняется в вакуумной камере 3. Эта камера управляет электронной пушкой, а также приводом подачи устройства 20 для транспортировки субстрата. Если оптическая структура состоит из одного зеркала, за операцией плавления SS следует операция нанесения зеркального покрытия VS, которая предпочтительно осуществляется в вакуумной камере путем напыления металла.

На основе оптических измерений OM оптических параметров полученного изделия EP определяются соответствующие отклонения от идеальной формы и с помощью операции вычисления RS учитываются при создании маски 6, с точки зрения обеспечения коррекции, на этапе изготовления маски ME.

На фиг. 2 показано устройство для осуществления операции плавления. Оно содержит вакуумную камеру 3, которая окружает транспортное устройство 20, транспортирующее носители 2 с субстратом 1 в плоскости субстрата. Носители 2 выполнены предпочтительно из высокоизолирующей окиси алюминия. Носители и субстраты окружены муфельной печью 30, показанной в открытом виде. Муфельная печь нагревается электрическими средствами и регулируется термостатически. На выходе из муфельной печи 30 носители 2 с субстратами 1 попадают в зону электронного луча 4. Электронно-лучевой генератор расположен вертикально. Электроны высвобождаются из нити накала, которая служит в качестве источника 40 электронов, и ускоряются в направлении к аноду 41 с прорезью. К аноду приложено регулируемое высокое напряжение в несколько киловольт. На пути к аноду 41 электроны проходят боковые фокусирующие электроды 42, к которым приложено фокусирующее напряжение. Ускоренные электроны выходят в виде линейного электронного луча 4 из прорези анода и попадают на расположенный под ним субстрат с находящейся на нем основной структурой 10.

Выше зоны плавления, которая образуется в зоне попадания электронного луча 4 на субстрат 1, расположен датчик 45 излучения, выходной сигнал которого подается в устройство управления ST. Это устройство управляет высоким напряжением, фокусирующим напряжением, током источника электронов, а также скоростью подачи транспортного устройства 20. Целесообразно также регулировать электрический нагрев муфельной печи 30 с помощью устройства управления ST, причем сигнал температурного датчика 31 подается в устройство управления как измеренный сигнал.

На фиг. 3 показан в сильно увеличенном масштабе вертикальный разрез субстрата, несущего линзу. Основная структура линзы обозначена пунктирной линией и имеет ступени высотой Н. Кроме того, представлена зона плавления 11, которая образуется в результате воздействия электронным лучом 4 во время непрерывного прохождения субстрата. Эта зона плавления 11 имеет глубину T, которая соответствует примерно 1,5 высотам H ступеней, и имеет ширину B, которая в данном примере перекрывает 3 средних ширины BS ступени. Окончательная форма линзы показана сплошной линией. Она получается при расплавлении поверхностного материала благодаря поверхностному напряжению расплава. Поверхностное напряжение выравнивает и устраняет ступенчатую структуру и создает приблизительно идеальную оптическую поверхность. На ступенях можно обнаружить незначительное подтравливание, которое полностью устраняется после расплавления.

На фиг. 4 показаны разрез и вид в перспективе планарного оптического элемента PO в кристалле ниобата лития, в котором выполнен поверхностный световод WL. Оптическая система ориентирована конфокально на фокус F. В данном примере этот фокус расположен на кромке кристалла, где присоединена узкая полоса световода LL.

На фиг. 5 показана рефракционная плоско-выпуклая линза L, на плоской стороне которой в соответствии со способом создана компенсационная или корректирующая структура K^*, которая путем сплавления выполнена примерно волнообразной. Компенсационной структурой K^* является планарная линза, которая имеет обратный цветовой коэффициент, как и рефракционная линза L, так что обеспечивается широкополосная цветовая коррекция посредством волновой структуры с небольшими потерями на рассеяние. Альтернативно корректирующая структура K или компенсационная структура может быть создана на корректирующей пластине KP, которая расположена перед линзой L или при необходимости перед несколькими линзами системы и/или после них.

Формула изобретения

1. Способ изготовления оптических структур, при котором по меньшей мере в ходе одной операции маскирования с последующей операцией травления на поверхности подложки образуют ступенчатую оптически эффективную основную структуру, которую затем в ходе операции плавления нагревают до плавления и корректируют форму основной структуры с помощью капиллярных поверхностных сил расплавленной подложки, отличающийся тем, что в ходе операции плавления подложку, несущую основную структуру, помещают в вакуумную камеру и затем на основную структуру воздействуют ускоренным высоким напряжением электронным лучом при одновременном его относительном перемещении перпендикулярно к образованной им в виде полосы на основной структуре зоны плавления, которая имеет глубину, равную по крайней мере высоте ступени ступенчатой основной структуры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что к электронному лучу приложено напряжение 2 - 5 кВ.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что глубину зоны плавления выбирают равной 1-5, в частности 1,0-2,5, высоты ступеней.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что электронный луч фокусируют на основную структуру таким образом, что образованная им зона плавления имеет ширину, которая равна по меньшей мере двойной средней ширине ступеней основной структуры.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что перед операцией плавления подложку, помещенную на носителе, предварительно нагревают в вакуумной камере до температуры предварительного нагрева, которая менее чем на 100 K, в частности 50 K ниже температуры плавления или размягчения материала основной структуры.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что каждую операцию маскирования выполняют посредством, или фотолитографии, или лазерного облучения, или электронного луча, а последующую операцию травления осуществляют с помощью жидкого или газообразного травильного средства, в частности, посредством плазменного или ионного травления.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что измеряют изготовленную оптическую структуру и в зависимости от ее отклонений от заданной формы корректируют форму маски, используемой в операции маскирования, таким образом, что при прохождении зоны плавления по созданной с помощью откорректированной маски основной структуре получают оптическую структуру в соответствии с ее заданной формой.

8. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что после изготовления оптической структуры измеряют ее форму и в зависимости от ее отклонений от заданной формы вводят после операции травления дополнительное подтравливание по контурам маски так, что после операции плавления созданной при этом основной структуры получают оптическую структуру в соответствии с ее заданной формой.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что за одну операцию маскирования с последующей операцией травления создают конфокальную планарную линзовую систему, ступени которой в ходе последующей операции плавления скашивают и скругляют на стороне кромок и основания.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что перед созданием маски измеряют параметры линзы или иной оптической системы и в зависимости от ее оптических дефектов, например хроматической аберрации, определяют оптическую структуру корректирующего оптического элемента, в соответствии с которой рассчитывают и затем формируют соответствующую маску, а корректирующий элемент формируют или на планарной поверхности линзы, или на корректирующей пластине.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что в ходе операций маскирования и травления создают основную структуру в виде совокупности линз, отдельные линзы которой выполняют асферическими и конфокальными, и затем в ходе операции плавления формируют заданную асферическую форму оптической структуры.

12. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что основную структуру формируют в поверхностном световоде, например на ниобате лития, и придают ей конфокальную секторную или линзообразную форму, фокус которой расположен в поверхностном световоде.

13. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что оптическую структуру создают в виде зеркальной поверхности или на металлической подложке, например, из серебра или хрома, или на подложке, на которую после операции плавления наносят зеркальное покрытие предпочтительно путем вакуумного нанесения зеркального покрытия.

14. Способ по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что подложку выполняют из кварца или стекла.

15. Устройство для осуществления операции плавления, содержащее расположенный в вакуумной камере источник электронов для создания электронного луча, удаленный по вертикали от носителя, отличающееся тем, что источник электронов выполнен ленточным и содержит анод с прорезью, соединенный с источником высокого напряжения, и боковые фокусирующие электроды, соединенные с источником фокусирующего напряжения, а носитель, на котором расположена по меньшей мере одна подложка, выполнен с возможностью перемещения с помощью транспортного устройства с регулируемой подачей.

16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что в вакуумной камере расположена муфельная печь с электрическим нагревом и с термостатическим регулированием, в которой расположена по меньшей мере одна подложка.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что муфельная печь расположена вокруг транспортного средства.

18. Устройство по п. 16 или 17, отличающееся тем, что электронный луч или направляется в муфельную печь, или создается в ней.

19. Устройство по любому из пп. 16 - 18, отличающееся тем, что в непосредственной близости от зоны плавления расположен детектор излучения, соединенный с устройством управления, выполненным с возможностью регулирования высокого напряжения анода, тока нагрева источника электронов и/или скорости подачи транспортного устройства относительно заранее заданной величины излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:Йоахим Хентце (DE),Виталий Н.Лисоченко (DE)

(73) Патентообладатель:Хентце-Лисотченко Патентфервальтунгс ГмбХ унд Ко. КГ (DE)

Договор № РД0063977 зарегистрирован 29.04.2010

Извещение опубликовано: 10.06.2010        БИ: 16/2010