Способ изготовления оптических структур и устройство для осуществления операции плавления

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СТРУКТУР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ОПЕРАЦИИ ПЛАВЛЕНИЯ(57) 1. Способ изготовления оптических структур, при котором в ходе по меньшей мере 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 электронным лучом, ускоренным высоким напряжением, при одновременном его относительном перемещении перпендикулярно к образованной им на основной структуре зоне плавления в виде полосы с глубиной, равной по меньшей мере высоте ступенчатой основной структуры. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что к электронному лучу прикладывают напряжение от 2 до 5 кВ. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину глубины зоны плавления выбирают равной 1-5, в частности 1-2, 5-кратной величине высоты ступеней. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что электронный луч фокусируют в виде полосы на основную структуру и формируют с его помощью зону плавления с шириной, равной по меньшей мере удвоенной 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 К , в частности на 50 К, ниже температуры плавления или размягчения материала основной структуры. Фиг. 1 6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что каждую операцию маскирования выполняют с помощью фотолитографии или лазерного облучения, или электронного луча, а последующую операцию 3149 1 травления осуществляют с помощью жидкого или газообразного травильного средства, в частности с помощью плазменного или ионного травления. 7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что измеряют изготовленную оптическую структуру и, в зависимости от отклонений ее от заданной формы, корректируют форму маски, используемой в операции маскирования, а оптическую структуру в соответствии с ее заданной формой получают при прохождении зоны плавления по созданной с помощью откорректированной маски основной структуре. 8. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что после изготовления оптической структуры измеряют ее форму и, в зависимости от отклонений ее 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 на металлической подложке, например из серебра или хрома, или на подложке, на которую после операции плавления наносят зеркальное покрытие, предпочтительно путем осаждения в вакууме. 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 ввакуумной 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 транспортирующего 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 транспортирующего устройства. 18. Устройство по пп. 16 или 17, отличающееся тем, что электронный луч 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 транспортирующего устройства при заранее заданной величине излучения.(56) 1., 1991, .27, .6, 93-99. 2. Патент США 4616363, МПК Н 01 37/305, 1985. 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 из журнала 1. В этой статье приведен обзор шести различных используемых методов изготовления микролинз и совокупностей микролинз. Наиболее близкий метод заключается в том,что с помощью фотолитографического маскирования и последующего травления на поверхности подложки создается приблизительно линзообразная структура, которая подвергается термической обработке, в результате чего возникает небольшой перенос массы, который при использовании определенных материалов при 2 3149 1 водит 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 всей подложки-носителя. При этом поверхностное напряжение создает деформирование всей поверхности и массы линзы, а также окружающей подложки хотя в результате этого достигается уменьшение ступенчатой структуры, однако значительно изменяются оптические параметры линзы, что приводит к оптическим дефектам, разбросам и отклонениям характеристик линзы относительно заранее заданной характеристики. Кроме того, из журнала 1992. - С. 44-50,,, 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, из патента 2 известно устройство, в котором в вакуумной камере расположены источники электронов для создания электронного луча, который направлен перпендикулярно к облучаемой подложке. Задачей изобретения является 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 подложку, несущую основную структуру, помещают в вакуумную камеру и затем на основную структуру воздействуют электронным лучом, ускоренным высоким напряжением, при одновременном ее относительном перемещении перпендикулярно к образованной им на основной структуре зоне плавления, в виде полосы с глубиной, равной по меньшей мере высоте ступенчатой основной структуры. Электронный луч предпочтительно формируется с помощью линейной электроннолучевой пушки, анодное напряжение которой составляет несколько киловольт, так что попадающее на подложку излучение соответственно выбивает из нее большое количество вторичных электронов и происходит непрерывный заряд подложки, и эта подложка 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 подложки. В соответствии со скоростью подачи подложки поперек протяженности зоны плавления можно точно контролировать глубину проникновения зоны плавления в подложку. Это позволяет для заранее заданной подложки 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 илипредыдущих этапах создания основной структуры. Соотношение напряжений между анодным напряжением и напряжением, до которого заряжается подложка, предпочтительно может быть табилизировано благодаря тому, что подложка располагается на носителе, который имеет по меньшей мере на порядок величины меньшую удельную электропроводность, чем подложка. Благоприятным оказалось выбирать зону плавления глубиной примерно от 1 до 5 высот ступени, в частности 1-2,5-кратной величине высоты ступеней. Ширину зоны плавления выбирают равной по меньшей мере удвоенной средней ширине ступеней основной структуры. Процесс обработки может быть несколько видоизменен за счет размещения в муфельной печи предварительного нагрева в вакуумной камере, в которой подложку нагревают термостатически, прежде чем осуществить плавление поверхности. Предпочтительным является, если температура нагрева примерно на 50-100 К 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 зон отклонений от идеальной формы, при создании масок с точки зрения коррекции. Так, например, предусматривается дополнительное подтравливание вдоль контуров и введение в маски направленно ориентированной предварительной коррекции, которая при расплавлении приводит к устранению обусловленных технологией дефектов. 3 3149 1 Операция маскирования и травления или многократная последовательность этих операций могут осуществляться с помощью обычных методов фотолитографии, лазерной засветки материала масок, электроннолучевой засветки материала масок, после чего, в зависимости от типа подложки 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 поверхностную световодную подложку 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 подложка после завершения процесса расплавления подается к устройству для напыления в вакуумной камере. Устройство для реализации способа предпочтительно рассчитано на множество подложек, 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. Предпочтительные варианты выполнения представлены на фиг. 1-5. Фиг. 1 - схематичное представление процесса реализации способа. Фиг. 2 - поперечный разрез устройства для реализации способа. Фиг. 3 - поперечный разрез подложки. Фиг. 4 - вид поверхностного световода с оптической структурой. Фиг. 5 - линза с корректирующей пластиной. На фиг. 1 представлена схема реализации способа. 3149 1 На подложку 1 в ходе первой операции маскирования Мнаносится покрытие, подложка засвечивается и открывается и в ходе последующей операции травленияступенчато вытравливается. Для планарных структур достаточно одной операции маскирования и одной операции травления для многомерных структур обе эти операции необходимо повторять многократно с соответствующими масками. Подложка 1 с созданной таким образом основной структурой 10 выравнивается в ходе последующей операции плавления. Перед операцией плавленияможет выполняться операция предварительного нагреваблагодаря тому, что подложка 1 с основной структурой 10 нагревается до температуры предварительного нагрева ,которая почти равна температуре плавления или размягчения основной структуры. Операция плавления осуществляется с регулированием плотности энергии электронного луча, а также скорости подачи подложки 1 перпендикулярно к распространению зоны плавления. С помощью датчика 45 излучения в качестве контрольной величины измеряется температура зоны плавления и подается в устройство управленияв качестве фактической величины. Операция плавлениявыполняется в вакуумной камере 3. Эта камера управляет электронной пушкой, а также приводом подачи устройства 20 для транспортировки подложки. Если оптическая структура состоит из одного зеркала за операцией плавленияследует операция нанесения зеркального покрытия , которая предпочтительно осуществляется в вакуумной камере путем напыления металла. На основе оптических измерений ОМ оптических параметров полученного изделия ЕР определяются соответствующие отклонения от идеальной формы и с помощью операции вычисления . учитываются при создании маски 6, с точки зрения обеспечения коррекции, на этапе изготовления маски МЕ. На фиг. 2 показано устройство для осуществления операции плавления. Оно содержит вакуумную камеру 3,которая окружает транспортное устройство 20, транспортирующее носители 2 с подложкой 1 в плоскости подложки. Носители 2 выполнены предпочтительно из высокоизолирующей окиси алюминия. Носители и подложки 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 подложками 1 попадают в зону электронного луча 4. Электроннолучевой 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 расположенную под ним подложку с находящейся на нем основной структурой 10. Выше зоны плавления, которая образуется в зоне попадания электронного луча 4 на подложку 1, расположен датчик 45 излучения, выходной сигнал которого подается в устройство управления . 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 , причем сигнал температурного датчика 31 подается в устройство управления как измеренный сигнал. На фиг. 3 показан в сильно увеличенном масштабе вертикальный разрез подложки, несущей 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 подложки. Эта зона плавления 11 имеет глубину Т, которая соответствует примерно 1,5 высотам Н ступеней и имеет ширину В, которая в данном примере перекрывает 3 средних шириныступени. 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 показан разрез и вид в перспективе планарного оптического элемента РО в кристалле ниобата лития, в котором выполнен поверхностный световод . Оптическая система ориентирована конфокально на фокус . В данном примере этот фокус расположен на кромке кристалла, где присоединена узкая полоса световода. На фиг. 5 показана рефракционная плоско-выпуклая линза , на плоской стороне которой в соответствии со способом создана компенсационная или корректирующая структура К, которая путем сплавления выполнена примерно волнообразной. Компенсационной структурой К является планарная линза, которая имеет обратный цветовой коэффициент, как и рефракционная линза , так что обеспечивается широкополосная цветовая коррекция посредством волновой структуры с небольшими потерями на рассеяние. Альтернативно корректирующая структура К или компенсационная структура может быть создана на корректирующей пластине КР, которая расположена перед линзойили при необходимости перед несколькими линзами системы и/или после них. 5 Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.