DD233856A1 - Verfahren zur herstellung eines laserstrahlungsfesten absorptionsfreien oxidischen schichtoptischen bauelementes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines laserstrahlungsfesten absorptionsfreien oxidischen schichtoptischen Bauelementes. Die Erfindung ist im optischen Geraetebau, in der Mikroelektronik, Optoelektronik und auf dem Gebiet der integrierten Optik anwendbar. Das Verfahren kann zur Herstellung schichtoptischer Bauelemente in allen bekannten Vakuumbeschichtungsanlagen eingesetzt werden. Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines oekonomischen Herstellungsverfahren fuer laserstrahlungsfeste schichtoptische Bauelemente. Als Aufgabe ergibt sich daraus, Loesungsmoeglichkeiten fuer eine unmittelbare Erhoehung der Laserstrahlungsresistenz der einzelnen Schichten selbst bereits waehrend ihres Darstellungsprozesses zu finden. Das Verfahren zur Herstellung schichtoptischer Bauelemente ist gekennzeichnet durch die Auswahl und entsprechende Variation von Prozessparametern waehrend des Vakuumbeschichtungsprozesses, so dass ein zusaetzlicher Einbau von mehr als 2% Sauerstoff, als fuer eine vollstaendige Stoechiometrie notwendig, in die Schicht gewaehrleistet ist.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines laserstrahlungsfesten absorptionsfreien oxidischen schichtoptischen Bauelementes. Die Erfindung ist im optischen Gerätebau für die Herstellung oxidischer schichtoptischer Bauelemente, beispielsweise Spiegel, Filter oder Strahlungsteiler u.a., in Vakuumbeschichtungsanlagen anwendbar. Darüber hinaus kann das Verfahren in allen anderen Bereichen der Technik eingesetzt werden, in denen die Vermeidung von Zerstörungen durch intensive Laserstrahlung notwendig ist und dieser Forderung entsprechende Bauelemente benötigt werden, wie z. B. in der Optoelektronik, Mikroelektronik und auf dem Gebiet der integrierten Optik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die im Vergleich zu kompakten optischen Bauelementen bzw. deren Oberflächen sehr viel geringere Beständigkeit von optischen dünnen Schichten gegenüber intensiver Photonen bestrahlung stellt gegenwärtig einen wichtigen, die Energiefluenz von Laseranlagen begrenzenden, Faktor dar. Durch diesen Faktor werden die Apertur und damit die Kosten von Hochleistungslaseranlagen bestimmt.

Aufgrund ihrer hohen Gebrauchswerteigenschaften, wie mechanische und chemische Stabilität, werden gegenwärtig im Spektralbereich vom nahen UV bis zum nahen IR vorrangig Oxidschichten bzw. oxidische Schichtsysteme eingesetzt, so daß sich das Interesse an einer Verbesserung der Laserstrahlungsfestigkeit vor allem auf diesen Schichtsubstanzkreis bzw. die daraus gefertigten schichtoptischen Bauelemente bezieht. Über die zur Erhöhung der Laserstrahlungsfestigkeit führenden physikalischen und chemischen Ursachen besteht noch weitestgehende Unklarheit bzw. existieren zum Teil gegensätzliche Auffassungen. Diesem Sachverhalt ist auch zuzurechnen, daß auf diesem Gebiet noch mit weitgehender Empirie gearbeitet wird und nur schwer reproduzierbare Ergebnisse erreicht werden können, was sich auch in der Fachliteratur, die dieser Problematik gewidmet ist, niederschlägt (H.E. Bennet et al. Appl. Opt. 19 [1980] S. 2375). Der Fachwelt ist es bisher nur gelungen, einige Teillösungen zu erarbeiten. Ein generelles Lösungsprinzip wird, bedingt durch fehlende theoretische Grundlagen, noch vermißt.

Eine erste Gruppe von Maßnahmen zur Erhöhung der Laserstrahlungsfestigkeit ist allgemein bekannt und bezieht sich auf Änderungen des Schichtsystemaufbaus (Schichtdesign). Durch geeignete Änderungen der Schichtdicken werden die Maxima der Feldstärke der einfallenden Strahlung von den einzelnen Schichtgrenzflächen weg in das Innere der Schicht verlagert, da diese Grenzflächen erfahrungsgemäß die geringste Laserfestigkeit aufweisen. Dies hat aber systemtheoretisch notwendig einen nachteiligen Einfluß auf das Reflexions- bzw. Transmissionsvermögen und erfordert im weiteren hohen Aufwand bei der Schichtdickenkontrolle während des Herstellungsprozesses.

Weiterhin ist bekannt, daß zusätzliche niedrigbrechende Lambda/2-Schichten zu einer Verbesserung der Laserfestigkeit von herkömmlichen oxidischen Schichtsystemen führen (W.H.Lowdermilketal.Thin Solid Films 73 [1980], S. 155). Diese Lösung erfordert ebenfalls erhöhten Aufwand bei der Schichtherstellung und deren Kontrolle und ist nur von geringer Effektivität. Eine zweite Gruppe von Maßnahmen bezieht sich, gemäß der letztgenannten Literaturstelle, auf Verbesserungen der Reinheit der Schichtsubstanzen und der Sauberkeit der Substratoberfläche. Dies kann aber, aufgrund der geringen Rolle der Sauberkeit der Substratoberfläche bei vielen Dünnschichtbauelementen (z. B: Verspiegelungsbeläge) und der relativ niedrigen Wirksamkeit nur begleitende und nicht alleinige Maßnahme sein. Nachteilig ist hier weiterhin der Aufwand für notwendige Vor- oder Nacharbeiten.

Mit den gleichen vorgenannten Nachteilen behaftet ist auch eine von D.Milam et al. in Appl. Opt. 21 (1982), S. 3689 vorgeschlagene Methode:

Durch nachträgliches Tempern lassen sich Absorptionsverluste verringern und damit die Laserfestigkeit geringfügig erhöhen. Eine dritte Gruppe von Maßnahmen bezieht sich auf eine Optimierung der Schichteigenschaften, wie beispielsweise Absorption, Schichtporosität, Brechzahl oder Langzeitstabilität, die in direktem oder indirektem Zusammenhang mit den Laserzerstörungsschwellen der optischen Dünnschichtbauelemente stehen. Solche Optimierungen werden aus ökonomischen und zweckmäßigen Gründen hauptsächlich durch Variation von Depositionsparametern bei den zur Herstellung der Bauelemente in der Regel angewandten physikalischen Schichtdepositionsverfahren (Aufdampfen, Sputtern u. a.) durchgeführt. Dabei werden zumeist die fundamentalen Verfahrensbedingungen (Prozeßparameter), insbesondere Substrattemperatur, Beschichtungsrate und Partialdruck in der Vakuumkammer variiert.

So ist von S.H.Apfel in Thin Solid Films 73 (1980) S. 167 und C.K.Carniglia in Thin Solid Films 77 (1981), S.225 eine inverse Korrelation zwischen Laserresistenz und Absorption festgestellt worden. Die Absorption kann wiederum durch den Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer beeinflußt werden. Der daraus ableitbare Weg zur Verbesserung der Laserresistenz von Oxidschichten durch Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks beim Aufdampfen ist jedoch nur nachgewiesenermaßen bis zu bestimmten Grenzen gangbar. Einerseits gilt die Korrelation Laserresistenz/ Sauerstoffpartialdruck nur für Absorptionswerte größer 10~⁴, d. h. für Schichten, die den Verlustanforderungen an dielektrische

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optische Schichten kaum genügen. Andererseits haben solche hohen Sauerstoffpartialdrücke negative Auswirkungen auf eine Reihe weiterer Gebrauchswerteigenschaften (mechanische und chemische Stabilität, Schichtporosität u.a.). Untersuchungen hierzu finden sich in E.Ritter: J. Vac. Sei. u. Technol. 3 (1966) S.225.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Angabe eines ökonomischen und auf zusätzlichen technologischen Aufwand verzichtendes Herstellungsverfahren für absorptionsfreie oxidische schichtoptische Bauelemente mit hoher Laserstrahlungsfestigkeit.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungsmöglichkeiten für eine unmittelbare Erhöhung der Laserstrahlungsresistenz der einzelnen Schichten selbst bereits während ihres Darstellungsprozesses zu finden. Die zu erarbeitende Lösung soll dabei insbesondere ökonomisch aufwendige Veränderungen des Schichtsystemaufbaus und/oder zusätzlichen technologischen Aufwand, hauptsächlich Vor- bzw. Nacharbeit, vermeiden und auf alle absorptionsfreien optischen Dünnschichtbauelementen anwendbar sein.

Die Lösung der Aufgabenstellung gelingt mit einem Verfahren zur Herstellung laserstrahlungsfester absorptionsfreier oxidischer schichtoptischer Bauelemente mittels Vakuumbeschichten in einer Sauerstoff als Reaktionsgas enthaltenen Restgasatmosphäre, wobei unter an sich bekannten und variierbaren Verfahrensbedingungen durch Überführen einer Quellensubstanz in die Gasphase, einer chemischen Reaktion der Quellensubstanz in der Gasphase mit der Restgasatmosphäre und Abscheidung einer Überwiegend aus den Reaktionsprodukten der Reaktion bestehenden Schicht auf einer beliebigen Substratunterlage, mindestens eine Schicht auf dieser Substratunterlage aufgebracht wird, die wenigstens ein Metalloxid enthält, dadurch, daß während der Überführung der Quellensubstanz in die Gasphase, der Reaktion der Quellensubstanz mit der Restgasatmosphäre und der Abscheidung der Schicht auf der Substratunterlage Verfahrensbedingungen vorhanden sind, die einen gezielten zusätzlichen Einbau von Sauerstoff in die Schicht um mindestens 2% größer gewährleisten, als das zur Einhaltung einer vollständigen Stöchometrie für die in der Schicht enthaltenen Metalloxidverbindungen in ihrer höchsten Wertigkeitsstufe notwendig ist.

Eine einfache, vorteilhafte Möglichkeit für den erfindungsgemäßen zusätzlichen Einbau von Sauerstoff in die Schicht ergibt sich, wenn der Einbau mittels Ionenimplantation nach der Abscheidung der Schicht auf der Substratunterlage erfolgt. Auch erweist es sich als zweckmäßig, wenn der Sauerstoff in der Restgasatmosphäre in ionisierter Form erhalten ist. Die nach dem im vorgenannten näher beschriebenen Verfahren hergestellten und mit den angegebenen erfindungsgemäßen Schichteigenschaften versehenen schichtoptischen Bauelemente zeichnen sich durch eine bisher nicht erreichte Laserfestigkeit aus. Dabei werden Veränderungen im Schichtsystemaufbau vermieden, der Aufwand zur Herstellung und die Kosten für die Bauelemente sind nicht erhöht. Die vorstehend dargelegte erfindungsgemäße Lösung ist auf alle oxidischen schichtoptischen Bauelemente bei deren Herstellungsverfahren anwendbar.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Beispiels näher erläutert werden:

Das herzustellende laserstrahlungsfeste absorptionsfreie oxidische schichtoptische Bauelement besteht aus einer, auf einem Glassubstrat angeordneten, Schicht aus Ta₂Os. Die Zahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome soll um 2% größer sein, als die Zahl der Sauerstoffatome, die zur Einhaltung des stöchiometrischen Atomzahlverhältnisses Sauerstoff/Tantal entsprechend notwendig sind. Die Realisierung des erfindungsgemäßen, zur Steigerung der Laserresistenz von Oxidschichten geforderten 2% über dem stöchiometrischen Verhältnis liegenden Sauerstoffgehaltes, unterliegt keinerlei Einschränkungen.

Der Einbau kann mit Hilfe von allen bekannten technischen Mitteln und Maßnahmen erfolgen, die zum Gaseinbau in dünne Schichten während und/oder nach der Schichtdarstellung führen. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, den erforderlichen Sauerstoffeinbau bereits unmittelbar während der Schichtdarstellung mit den für optische Schichten gegenwärtig überlicherweise verwendeten physikalischen Schichtdepositionsverfahren (Aufdampfen, Sputtern usw.) durch die Wahl von geeigneten Schichtdepositionsbedingungen herbeizuführen.

Beispielsweise ist die erfindungsgemäße Herstellung des schichtoptischen Bauelementes mit der oben näher bezeichneten Ta₂O₅-Schicht mit dem im folgenden näher beschriebenen Verfahren möglich. Bei diesem Verfahren ergeben die angegebenen Verfahrensbedingungen einen gezielten zusätzlichen Einbau von Sauerstoff in die Schicht um 2% größer, als das zur Einhaltung einer vollständigen Stöchiometrie für die TaaOs-Schicht notwendig ist.

In der Vakuumkammer einer Hochfrequenzplasma-Sputterbeschichtungsanlage befindet sich ein Target aus Tantal oder Tantaloxid als Quellensubstanz. Das Target befindet sich im direkten oder vermittelten Kontakt mit der Kathode, die mit einer hochfrequenten Spannung im Megaherzbereich belegt ist und diese um ca. 1 000 bis 4000 V negativ gegenüber der auf Erdpotential liegenden Vakuumkammer der Sputteranlage macht. Die Anode derSputteranlage befindet sich auf Erdpotential, kann aber auch um einige 10V gegenüber dem Erdpotential negativ gemacht werden.

In unmit+elbarer kathodenseiu_a; r Nähe der Anode befindet sich die Substratpalette auf die, in unmittelbarem Kontakt, ein Glassubstrat als Substratunterlage aufgesetzt ist. Es kann allerdings auch die Anode selbst als Suustratpalette dienen. Es ist möglich, Einrichtungen zum Heizen oder Kühlen des Glassubstrates vorzusehen.

In die Vakuumkammer mündet eine mit regulierbarem Ventil versehene Leitung für die Zuführung des Sputtergases. Die Vakuumkammer wird vor Beginn des Beschichtungsprozesses bis zu einem Druck der Restagsatmosphäre 4 · 10"⁴Pa evakuiert und danach ein Argon/Sauerstoff-Sputtergasgemisch bis zu einem Totaldruck von rund 2,6 Pa eingelassen. Der Sauerstoff dient als Reaktionsgas und kann gegebenenfalls ionisiert vorliegen bzw. im Verlauf des Prozesses ionisiert werden.

Nach Einla j des Sputtergasgemisches wird durch Anlegen einer HF-Spannung von ca. 2000 Vzwischen Kathode und Anode eine Gasentladung mit einer Leistungsdichte von ca. 3 bis 4W/cm² gezündet, die zur Überführung derQuellensubstanz in die Gasphase führt. Die abgestäubten Teilchen bzw. deren Reaktionsprodukte reagieren mit dem Sauerstoff in der Restgasatmosphäre und scheiden sich als dünne Schicht auf dem Glassubstrat ab, wobei in der Schicht überwiegend die Reaktionsprodukte vorhanden sind.

Als weitere Verfahrensbedingungen sind vorhanden: eine unter 200⁰C liegende, vorzugsweise Raumtemperatur betragende, Substrattemperatur und ein Sauerstoffgehalt des Sputtergemisches, der ca. 60 bis 70% des Totaldruckes beträgt.

Die Einhaltung aller vorgenannten Verfahrensbedingungen gewährleistet den erfindungsgemäß erforderlichen Sauerstoff Überschuß.

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Diese Verfahrensbedingungen sollen aber nicht als Einschränkungen auf die jeweils angegebenen Werte verstanden werden. Entscheidend ist die Tatsache, daß solche Verfahrensbedingungen gewählt werden, die den erfindungsgemäß geforderten Einbau von zusätzlichem Sauerstoff in die Schicht gewährleisten. Hierbei ist es eben ohne weiteres möglich, wie an sich bekannt, Prozeßparameter zu variieren oder gegebenenfalls andere Parameter zur Steuerung des Sauerstoffgehaltes heranzuziehen. Dieser Sachverhalt ist im übrigen auch bei der Übertragung der dargelegten Realisierungsmöglichkeit auf andere Beschichtungsverfahren und Schichtsubstanzen zu berücksichtigen.

Weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich auch bei der Herstellung von schichtoptischen Bauelementen mit anderen Schichtsubstanzen als dem o. g. Ta₂Os. So ist beispielsweise das Verfahren auch bei Nb₂O₃, SiO₂, TiO₂ und ZrO₂-Schichten anwendbar. Für Nb₂O₃ und SiO₂ als schichtbildende Metalloxidverbindung ist dabei ein Überschuß von 8% und bei ZrO₂-Schichten von 5% zweckmäßig.

Claims (3)

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   Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Herstellung laserstrahlungsfester absorptionsfreier oxidischer schichtoptischer Bauelemente mittels Vakuumbeschichtung in einer Sauerstoff als Reaktionsgas enthaltenden Restgasatmosphäre, wobei unter an sich bekannten und variierbaren Verfahrensbedingungen durch Überführen einer Quellensubstanz in die Gasphase, einer chemischen Reaktion der Quellsubstanz in der Gasphase mit der Restgasatmosphäre und Abscheidung einer überwiegend aus den Produkten der Reaktion bestehenden Schicht auf einer beliebigen Substratunterlage, mindestens eine Schicht auf dieser Substratunterlage aufgebracht wird, die wenigstens ein Metalloxid enthält, gekennzeichnet dadurch, daß während der Überführung der Quellensubstanz in die Gasphase, der Reaktion mit der Restagsatmosphäre und der Abscheidung der Schicht auf der Substratunterlage Verfahrensbedingungen vorhanden sind, die einen gezielten zusätzlichen Einbau von Sauerstoff in die Schicht um mindestens 2% größer gewährleisten, als das zur Einhaltung einer vollständigen Stöchiometrie für die in der Schicht enthaltenen Metalloxidverbindungen in ihrer höchstens Wertigkeitsstufe notwendig ist.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der gezielte zusätzliche Einbau von Sauerstoff mittels Ionenimplantation nach der Abscheidung der Schicht auf der Substratunterlage erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, kennzeichnet dadurch, daß der Sauerstoff in ionisierter Form in der Restgasatmosphäre enthalten ist.