УДК 681.327
,
Институт проблем регистрации информации НАН Украины
ул. Шпака, 2, 03113 Киев, Украина
Система дифракционного контроля процесса
травления диска-оригинала
Приведены результаты математического моделирования выбора ис-точника излучения для дифракционного контроля регулярных рельеф-ных структур. Разработана помехоустойчивая оптоэлектронная сис-тема дифракционного контроля с модуляцией лазерного излучения. По-лучены экспериментальные данные, которые позволяют эффективно контролировать процесс питообразования.
Ключевые слова: дифракционная эффективность, глубина питов, диск-оригинал, модулированное излучение, оптоэлектронная система.
Введение
Система дифракционного контроля используется при производстве компакт-дисков для определения дифракционной эффективности, показатель которой должен находиться в определенных пределах. Тогда диск считается качественным, Дифракционные методы контроля микропрофиля оптических дисков широко применяются на этапе их изготовления [1-3]. Качество дифракционных структур, образованных в процессе записи спиральных дорожек, содержащих информационные питы, оценивается как отношение интенсивности в n-м порядке к интенсивности падающего лазерного пучка, или как отношение к интенсивности нулевого пучка, проходящего без отклонения. На этапе технологического травления фоторезистивной пленки, засвеченной лазерным лучом, достаточным является контроль 1-го порядка дифрагированного излучения от образованной микроструктуры.
В статье описывается и анализируется система дифракционного контроля, используемая при производстве дисков-оригиналов. После записи информации на диск-оригинал фоточувствительный слой подвергается травлению, т. е. удалению химическим путем материала из засвеченных участков. В процессе травления на диске начинает появляться дифракционная картина, свидетельствующая о том, что идет процесс питообразования, который необходимо контролировать для того, чтобы питы имели заданную глубину ~150 нм и приобретали необходимую форму.
© ,
В процессе испытаний опытного образца системы возникла проблема в изме-рении сигнала первого дифракционного порядка из-за влияния слоя воды и тра-вителя, которые постоянно присутствуют на поверхности диска в процессе трав-ления, влияния световых и электрических помех.
Теоретическое моделирование дифракционного контроля
С целью получения максимальной эффективности перераспределения отра-женного излучения в направлении нулевого и 1-го порядков дифракции от струк-туры, образованной на поверхности диска-оригинала, было проведено математи-ческое моделирование влияния параметров питов на интенсивность оптических сигналов. Наша модель основывалась на реальных параметрах ширины дорожек и расстояния между ними, которые приняты стандартными для компакт дисков. Мы использовали математические выражения, полученные в работах [1-4] для оценки интенсивности излучения отраженного в направлении нулевого и n-го порядков дифракции. Наша модель предполагает, что процесс травления однороден по всей поверхности образуемого пита, который имеет близкую к прямоугольной форму. Для оценки отношения интенсивности в 1-ом порядке к интенсивности падаю-щего лазерного пучка можно воспользоваться выражением [1-3]:
,
где d — период записанной структуры; расстояние между информационными дорожками; s — ширина информационной дорожки (пита); h — глубина образ-ованных питов; l — длина волны лазерного излучения, на которой проводится контроль дисков-оригиналов.
Было проведено моделирование влияния длины лазерного излучения на вели-чину дифракционной эффективности с целью выбора оптимального лазерного источника. Результаты, полученные в процессе теоретических расчетов представ-лены на рис. 1, 2. На рис. 1 видно, что в начальный момент образования рельефа на поверхности фоторезиста большей чувствительностью к микроструктуре обла-дает более коротковолновое лазерное излучение (l = 550 нм). Но применение такого лазерного источника может вызвать неудобства на заключительной фазе травления диска, поскольку дифракционная эффективность достигает своего мак-симального значения при глубинах питов порядка 140 нм (см. рис. 1). Следует также отметить, что дифракционная эффективность для лазерной длины волны
l = 650 нм превосходит этот же параметр для лазера с l = 800 нм в 1,5–2 раза при достижении глубины пита 100–150 нм. Исходя из полученных зависимостей (рис.1), нами был выбран лазерный источник с длиной волны l = 650 нм для осуществления контроля образования питов на поверхности диска-оригинала в процессе его травления как наиболее эффективный, позволяющий работать на линейном участке дифракционной кривой (см. рис. 1).
 |
Рис. 1. Зависимость дифракционной эффективности от глубины травления питов на
диске-оригинале и от длины волны зондирующего лазерного излучения.
На рис. 2 отображены теоретические результаты зависимости дифракционной эффективности от глубины протравленных питов и их ширины. Ширина информационной дорожки играет важную роль для получения достаточного уровня сигналов при считывании информации с компакт-дисков. Эта величина внесена в стандарт ISO как одна из основных [5]. Анализируя график на рис. 2, мы можем заключить, что дифракционная эффективность сильно зависит от ширины дорожки и достигает своего максимального значения, когда s = d/2. Из этого следует, что в процессе получения изображения на поверхности диска-оригинала важно добиться стабильной работы системы, фокусирующей излучение лазера. Только в случае однородной ширины информационной дорожки на поверхности диска можно ожидать повторяемости результатов дифракционного контроля при травлении записанных дисков-оригиналов. Проведенные теоретические оценки позволили нам выбрать наиболее эффективный лазерный источник излучения и смоделировать нарастание сигнала дифракционной эффективности в процессе технологического травления дисков-оригиналов.
 |
Рис. 2. Зависимость дифракционной эффективности от глубины травления питов на
диске-оригинале и от ширины информационной дорожки.
Экспериментальные результаты
Для решения экспериментальной задачи получения стабильного отклика в виде дифракционной картины от диска-оригинала была разработана система дифракционного контроля дисков-оригиналов (СДКДО), которая обеспечивает режим обработки диска по схеме: смачивание – травление – промывка – сушка. Представленная система может работать в автоматическом и полуавтоматическом режимах. В последнем случае прекращение подачи травителя осуществляется оператором вручную по показанию вольтметра.
В СДКДО применена система модуляции лазерного излучения, что позволило избежать влияния световых помех на результат измерения. Система нечувстви-тельна к колебаниям мощности излучения лазера, т. к. сигнал генерируется как отношение сигналов первого порядка к мощности излучения лазера.
Структурная схема СДКДО изображена на рис. 3. Взаимосвязь блоков в этом устройстве осуществляется блоком автоматики 6, в котором заложен алгоритм управления устройством подачи травителя и воды 1. Процесс происходит в следующей последовательности: сливная трубка подводится к центру диска, после чего начинается подача воды (смачивание), травителя (проявление), затем снова воды (промывка) и отвод трубки в исходное положение.
В состав оптической системы 2 входят: полупроводниковый лазер, фотодио-ды, система линз. Отраженный от поверхности диска, луч лазера через фокуси-рующую линзу попадает на фотоприемник (фотодиод). Необходимость примене-ния линз обусловлена тем, что сигнал первого дифракционного порядка трудно обнаружить из-за наличия слоя жидкости на поверхности диска.
Диск-оригинал 3 — это стеклянная подложка с нанесенным слоем фоторе-зиста толщиной 160–170 нм и записанной на нем информацией.
Привод диска 4 управляется по командам блока автоматики 6 и обеспечивает два режима работы: скорость вращения ~300 об/мин в режиме полива и скорость вращения ~1000 об/мин в режиме сушки.
 |
Рис. 3. Структурная схема СДКДО: 1 — устройство подачи травителя и воды;
2 — оптическая система; 3 — диск-оригинал; 4 — привод диска;
5 — электронная измерительная система; 6 — блок автоматики.
Электронная измерительная система 5 выполняет следующие функции:
1) модуляцию излучения лазера;
2) усиление сигналов фотодиодов оптической системы;
3) защиту от световых и электрических помех;
4) вычисление отношения сигналов;
5) выработку сигнала для прекращения подачи травителя;
6) индикацию сигналов.
Блок-схема электронной измерительной системы изображена на рис. 4. Широкополосные усилители 1, 2 преобразуют импульсные сигналы токов фотодио-дов в импульсы напряжения, поступающие на электронные ключи 4 и 5, которые открываются и закрываются синхронно с работой лазера. Импульсы синхрони-зации, управляющие ключами 4 и 5 и модулятором 6, вырабатываются генератором 3 с частотой повторения 1 ¸1,5 кГц. Схемы вычитания 7, 8 выделяют «чистые» сигналы первого дифракционного и опорного каналов, величина которых не зависит от внешней засветки. Вычислитель отношения сигналов 9 применяется для того, чтобы результат измерения не зависел от колебаний (медленных) мощности лазера, кроме того, если перестроить оптическую систему на нулевой порядок дифракции, можно безошибочно вычислять дифракционную эффективность I1/I0. Когда сигнал I1 достигнет заданной величины, сработает компаратор 10, который активизирует схему драйвера 11, вырабатывающую токовый сигнал для включения оптоэлектронного реле блока автоматики. Переключаиспользуется для выбора режима «Ручной» – «Автомат». Устройство автоматики 6 (см. рис. 3) включается по команде оператора, и осуществляет функции управления устройствами 1 и 4 во времени.
 |
Рис. 4. Блок-схема электронно-измерительной системы: 1, 2 — усилители широкополосные;
3 — синхронизатор; 4, 5 — электронные ключи; 6 — модулятор полупроводникового лазера;
7, 8 — схема вычитания; 9 — вычислитель отношения сигналов; 10 — компаратор;
11 — драйвер; 12 — переключатель режимов.
Было проведено исследование характера изменения сигнала отношения пер-вого порядка к опорному сигналу лазера при травлении в процессе изготовления дисков-оригиналов, которое осуществлялось в чистой зоне на станции травления. В процессе эксперимента мощность лазера составляла 1,5–2 мВт (средняя мощность при скважности 2). Было обнаружено, что внешняя засветка от лампы накаливания не влияет на результаты измерений как от чистого стекла, так и от дифракционной картины. В процессе травления диска наблюдался плавный рост измеряемого сигнала, который изменялся следующим образом:
1) паразитный сигнал от планшайбы и чистого стеклянного диска составлял 80–100 мВ;
2) при подаче дистиллированной воды на вращающийся диск с целью его смачивания, сигнал возрастал до величины 280–300 мВ;
3) при поливе диска травителем, сигнал плавно нарастал до величины поряд-ка 400 мВ, что, как было установлено позже на этапе получения матрицы, и соот-ветствовало образованию питов с глубиной порядка 150 нм и формой, близкой к прямоугольной;
4) после процесса сушки диска измеряемый сигнал выростал до величины порядка 1,2–1,3 В, что приводило к получению параметра асимметрии равного величине – 8 ¸ –11 и согласовывалось с требуемым значением.
В результате проведения теоретического моделирования и экспериментального апробирования определена структурная схема построения системы дифракционного контроля для получения нужной глубины и формы питов на поверхности дисков-оригиналов в процессе производства и, как следствие, достижение требуемого значения асимметрии на матрице.
1. Братт Дж., Пасман Дж., Ван Розмален Дж., Шухамер- Оптические дисковые системы. — М.: Радио и связь, 1991. — 280 с.
2. Особенности распределения интенсивности в дифракционном спектре амплитудно-фазовых решеток // Автометрия. — 1992. — Т. 5. — С. 14-26.
3. , Дифракционный метод контроля параметров дорожек форматированных дисков // Автометрия. — 1992. — Т. 5. — С. 3-13.
4. , , Введение в компьютерную оптику. — Изд-во МГУ, 1991. — 312 с.
5. Chernoff Donald A., Burkhead David L. A new methodolody for detecting track pitch errors // ONE TO ONE. — 1997, Dec. — P. 67-70.
Поступила в редакцию 18.03.2002
