DE10134157B4

DE10134157B4 - Bauelement mit ultrapräziser Oberfläche und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10134157B4
Application number: DE10134157A
Authority: DE
Inventors: Dieter Gäbler; Norbert Dr. Kaiser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2021-07-14
Also published as: DE10134157A1

Abstract

Verfahren zur Beschichtung eines Substrates das eine ultrapräzise Oberfläche besitzt, mit einem optischen Schichtsystem mit einer Ebenheit < λ/30 auf dieser Oberfläche, wobei λ eine Wellenlänge im optischen Bereich ist,
wobei das Schichtsystem mindestens eine oxidische optische Schicht aufweist, wobei zusätzlich zu der oder den optischen Schichten des optischen Schichtsystems unter, zwischen und/oder auf diese Schichten zumindest bereichsweise mindestens eine Spannungskompensationsschicht aus Aluminiumoxyd ohne Ionenstützung aufgebracht wird,
wobei die gesamte Dicke aller Spannungskompensationsschichten aus den Spannungen und Dicken der optischen Schichten und der Schichtspannung der Spannungskompensationsschichten bestimmt wird unter Berücksichtigung eines zuvor experimentell für die optischen Schichten bestimmten Korrekturfaktors, der die thermische Komponente der Schichtspannung in Abhängigkeit vom Substrat und der sich bei der Beschichtung einstellenden Temperatur berücksichtigt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf spannungskompensierte, klimastabile oxidische Beschichtungen für ultrapräzise Oberflächen von insbesondere optischen Bauelementen sowie auf Verfahren zur Herstellung derartiger Beschichtungen auf Bauelementen.
Herkömmlicherweise erfolgt die Beschichtung optischer Bauelemente mit harten oxidischen Schichtsystemen. Um die Klimastabilität sowie die Shiftfreiheit der Bauelemente zu gewährleisten werden die Schichteigenschaften durch Ionenstützung während des Beschichtungsprozesses, beispielsweise PVD-Beschichtung, optimiert. Unter Shiftfreiheit wird dabei das Fehlen von Veränderungen der optischen Eigenschaften wie Brechzahl und optische Dicke der Schichten durch Adsorptions- oder Desorptionsprozesse bezeichnet.
Die durch die Ionenstützung erzielten Strukturveränderungen haben dabei im Allgemeinen eine deutliche Druckspannung der Schichten zur Folge. Diese Druckspannungen sind solange problemlos tolerierbar, solange die Haftung der Schichten auf dem Substrat ausreicht und es zu keinen Schichtablösungen kommt. Weiterhin ist erforderlich, daß die Deformation der Substrate aufgrund der Druckspannung der Schichten nicht die Funktion des Bauelementes beeinträchtigt.
Eine derartige Beeinträchtigung der Funktion eines beispielsweise optischen Bauelementes durch eine Formänderung aufgrund der Druckspannung der Beschichtung, tritt jedoch insbesondere bei sehr dünnen Substraten oder hochebenen Substraten auf. In diesen Fällen benutzt man daher entweder weiche nicht oxidische Schichtsubstanzen zur Beschichtung oder man verzichtet teilweise auf die Klimastabilität und Shiftfreiheit der Beschichtung.

Eine weitere herkömmliche Lösung ist die Kombination von Schichten mit Druckspannung und Zugspannung, die im Schichtsystem minimale resultierende Schichtspannungen ergeben. Problematisch ist hierbei jedoch, eine geeignete Substanz mit ausreichender Zugspannung zu finden, Materialpaarungen wie sie z.B. aus der JP 10-162458 A mit TiO₂ und Mg₂ bekannt sind, sind in der Regel ein Kompromiß zwischen Shiftfreiheit und Klimastabilität einerseits und Spannungsfreiheit andererseits.

Die EP 0 581 584 A1 offenbart ein optisches Element mit einer Antireflexbeschichtung mit einer ersten oxidischen Schicht, die Aluminium und Praseodymium enthält und einer darauf angeordneten anorganischen antireflektiven Schicht, beispielsweise aus Alumini umoxid. Substrat und oxidische Schicht weisen vorzugsweise einen Brechungsindex zwischen 1,6 und 1,7 auf.

Die JP 2000-056265 A zeigt einen optischen Isolator, bei dem zwischen Titanoxid- bzw. Siliziumoxidschichten Aluminiumoxidschichten angeordnet sind.

Die DE 44 44 786 A1 offenbart einen dielelektrischen Bandpassfilter, bei dem alternierend hoch- und tiefbrechende dielektrische λ/4-Schichten in Cavity-Anordnung um eine Abstandsschicht angeordnet sind.

Um eine geringe Feuchtigkeitsdrift zu erzielen, sind im Bereich der Abstandsschicht Schichten beispielsweise aus Al₂O₃ oder MgF₂ angeordnet, die eine geringe Feuchtesorption aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements mit einer ultrapräzisen Oberfläche zur Verfügung zu stellen, bei dem eine hohe Stabilität der optischen und klimatischen und beson ders der Schichtspannungseigenschaften gewährleistet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das optische Bauelement nach Anspruch 7 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des jeweiligen Bauelementes und des jeweiligen Verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.

Für die Beschichtung ultrapräziser Oberflächen mit einer Ebenheit < λ/30 sind besonders hochwertige spannungskompensierte Schichtsysteme mit ein oder mehreren optischen Schichten erforderlich. Da außerdem für die Bauelemente eine hohe Langzeitstabilität der optischen und mechanischen Eigenschaften gefordert werden, wird hiermit eine neue Beschichtung zur Verfügung gestellt.

Als ionengestützte Oxidschichten werden weiterhin herkömmliche ionengestützt aufgebrachte Oxidschichten verwendet, wie beispielsweise SiO₂ oder TiO₂. Für den Auftrag dieser Schichten eignen sich insbesondere die in Anspruch 3 genannten Beschichtungsparameter, mit denen die teilweise sehr hohen Druckspannungen, wie beispielsweise im SiO₂, stabil und reproduzierbar erzeugbar sind. In diesem Falle können diese Druckspannungen in Kauf genommen werden.

Zur Spannungskompensation werden unter, zwischen oder auf diese oxidischen Schichten des erfindungsgemäßen Schichtsystems erfindungsgemäß eine oder mehrere Aluminiumoxidschichten aufgetragen. Auch hier erfolgt erfindungsgemäß eine Verfahrensführung vorteilhafterweise mit den in Anspruch 4 genannten besonders geeigneten Beschichtungsparametern, wobei die Al₂O₃-Schicht ohne Ionenunterstützung aufgetragen wird. Da bei wird zum einen eine ausreichend hohe und stabile Zugspannung als auch eine gute Klimastabilität und Shiftfreiheit der Aluminiumoxidschicht erreicht.

Vorteilhafterweise wird eine geeignete Kombination der Schichtdicken der jeweiligen Schichtsubstanzen auf das Substrat aufgetragen. Mit Hilfe der Formel für Spannungen in Vielfachschichten, die wie folgt lautet:

läßt sich die erforderliche Dicke der Al₂O₃-Kompensationsschichten berechnen. Dabei bezeichnet der Index i jeweils eine der Schichten des Schichtsystems (optische Schicht oder Spannungskompensationsschicht), σ_i die Schichtspannung und d_i die Dicke der jeweiligen Schicht. n ist die Gesamtzahl aller Schichten des Schichtsystems. σ bezeichnet die Gesamtspannung des Schichtsystems. Die σ_i hängen dabei u.a. von dem Beschichtungsparameter ab und muß zuvor für jede Schichtsubstanz einzeln bestimmt werden.

Durch die experimentelle Bestimmung eines Korrekturbetrages, der die thermische Komponente der Schichtspannung in Abhängigkeit vom Substrat und der sich bei der Beschichtung einstellenden Temperatur berücksichtigt, erhält man eine Dicke für die Kompensationsschichten, bei der die Formänderung des Substrates minimal ist. Es werden also auch die thermischen Spannungen berücksichtigt, die durch die Erwärmung während des Be schichtungsprozesses entstehen. So ist es möglich, die resultierende Spannung des Schichtsystems zu minimieren und die Ebenheit der beschichteten ultrapräzisen Oberfläche innerhalb geforderter enger Toleranzen zu erhalten.

Mit den erfindungsgemäßen Beschichtungen für Bauelemente ist es zum einen möglich, oxidische Schichten mit stabilen und vor allem auch reproduzierbaren Druckspannungen zu erzeugen, die auch den optischen Anforderungen für Interferenzschichtsysteme entsprechen. Weiterhin ist unter den erfindungsgemäßen Bedingungen die Erzeugung klassischer, d.h. ohne Ionenstützung aufgetragener Al₂O₃-Schichten möglich, die stabile, reproduzierbare und sehr große Zugspannungen aufweisen.

Durch die Verknüpfung dieser beiden Technologien in einem einzigen Beschichtungsprozeß gelingt es, reproduzierbar stabile spannungskompensierte Schichtsysteme zu erzeugen, die ultrapräzise Substrate um weniger als λ/30 deformieren und außerdem alle geforderten Klimatests bestehen.

Im folgenden wird ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Schichtsystem gegeben.
Es wurde ein erfindungsgemäßes Schichtsystem für einen Polarisator auf BK7-Glas aufgebracht. Das Schichtsystem besteht aus einer Schichtfolge von Kompensationsschicht XM der Dicke X, einer hochbrechenden Schicht H mit einer Dicke von λ/8, einer sechsfachen Abfolge von niedrigbrechender und hochbrechender Schicht mit einer niedrigbrechenden Schicht als Abschluß (LH)⁶L, einer hochbrechenden Schicht mit einer Dicke von λ/8 und einer abschließenden Kompensationsschicht XM mit der Dicke X. M bedeutet also eine klassische, d.h. nichtionengestützt erzeugte Al₂O₃-Schicht, H eine TiO₂-λ/4-Schicht, L eine SiO₂-λ/4-Schicht. Der Polarisator wurde auf eine Wellenlänge von λ = 633 nm ausgelegt, wobei es sich bei den angegebenen Schichtdicken jeweils um die optische Schichtdicke handelt.
Anschließend wurde an diesem Polarisator die Schichtspannung der Einzelschichten auf Si-Wafern gemessen. Es wurden folgende Druck- und Zugspannungen gemessen:
Druckspannung: SiO₂ = 530 MPa, TiO₂ = 93 MPa
Zugspannung : Al₂O₃ = –1.080 MPa.
1 zeigt die Spannungskompensation in einem derartigen 45 °-Polteiler durch eine Al₂O₃-Schicht auf einem Si-Wafer.
In 1 beschreibt die Abszisse die Dicke der Aluminiumoxid-Kompensationsschicht in λ/4-Schritten. Die Ordinate bezeichnet die Druckspannung in MPa.
Die durchgezogene Linie zeigt die berechneten Werte, wie sie sich aus den Einzelschichtdaten σ_i, d_i für die Gesamtdicke der beiden Kompensationsschichten des oben beschriebenen Beispiels in λ/4-Einheiten ergibt.
Es ergibt sich dabei ein Schnittpunkt mit der Linie, für die die Druckspannung verschwindet. Dieser Schnittpunkt gibt daher die theoretisch ideale Gesamtdicke der beiden Kompensationsschichten an.
Weiterhin sind in 1 drei experimentelle Werte für Schichtsysteme wie im obigen Beispiel beschrieben für verschiedene Schichtdicken X der Kompensations schichten aufgetragen. Dabei ist zu erkennen, daß diese von der theoretischen durchgezogenen Linie abweichen. Demgemäß ist bei der Bestimmung der richtigen Schichtdicke für die Kompensationsschichten eine experimentelle Bestimmung eines Korrekturbetrages erforderlich, der die thermische Komponente der Schichtspannung in Abhängigkeit vom Substrat und der sich bei der Beschichtung einstellenden Temperatur berücksichtigt. Dadurch erhält man dann eine Dicke für die Kompensationsschicht, bei der die Formänderung des Substrates minimal ist.

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Substrates das eine ultrapräzise Oberfläche besitzt, mit einem optischen Schichtsystem mit einer Ebenheit < λ/30 auf dieser Oberfläche, wobei λ eine Wellenlänge im optischen Bereich ist, wobei das Schichtsystem mindestens eine oxidische optische Schicht aufweist, wobei zusätzlich zu der oder den optischen Schichten des optischen Schichtsystems unter, zwischen und/oder auf diese Schichten zumindest bereichsweise mindestens eine Spannungskompensationsschicht aus Aluminiumoxyd ohne Ionenstützung aufgebracht wird, wobei die gesamte Dicke aller Spannungskompensationsschichten aus den Spannungen und Dicken der optischen Schichten und der Schichtspannung der Spannungskompensationsschichten bestimmt wird unter Berücksichtigung eines zuvor experimentell für die optischen Schichten bestimmten Korrekturfaktors, der die thermische Komponente der Schichtspannung in Abhängigkeit vom Substrat und der sich bei der Beschichtung einstellenden Temperatur berücksichtigt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Dicke aller Spannungskompensationsschichten mit Hilfe der Formel
bestimmt wird, wobei die Schichtspannung einer optischen Schicht oder Spannungskompensationsschicht, d die zugehörige Dicke der Schicht bezeichnet, der Index i für jeweils eine der Schichten und n für die Gesamtzahl aller Schichten steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der optischen Schichten aus SiO₂ mit einer Rate zwischen 0,3-0,8 nm/s, einer Bias-Spannung von 120-150 V und einem O₂-Fluß von 10-20 Standard-Kubikzentimetern pro Minute oder TiO₂ mit einer Rate zwischen 0,2-0,4 nm/s, einer Bias-Spannung von 120-140 V und einem O₂-Fluss von 30-40 Standard-Kubikzentimetern pro Minute abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Spannungskompensationsschichten Aluminiumoxyd mit einer Rate von 0,4-1,0 nm/s und einem O₂-Fluss von 5-15 Standard-Kubikzentimetern pro Minute abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als oxidische optische Schichten SiO₂- und/oder TiO₂-Schichten auf das Substrat aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch ein PVD-Verfahren auf dem Substrat abgeschieden werden.
Optisches Bauelement mit einer ultrapräzisen Oberfläche mit einer Ebenheit < λ/30, wobei λ eine Wellenlänge im optischen Bereich ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bereichsweise die Oberfläche mit einem optischen Schichtsystem mit mindestens einer ionengestützt aufgebrachten optischen oxidischen Schicht sowie zumindest bereichsweise mit mindestens einer nicht ionengestützt aufgebrachten Spannungskompensationsschicht aus Aluminiumoxyd unter, zwischen und/oder auf den optischen Schichten beschichtet ist, wobei die gesamte Dicke aller Spannungskompensationsschichten aus den Spannungen und Dicken der optischen Schichten und der Schichtspannung der Spannungskompensationsschichten bestimmt wird unter Berücksichtigung eines zuvor experimentell für die optischen Schichten bestimmten Korrekturfaktors, der die thermische Komponente der Schichtspannung in Abhängigkeit vom Substrat und der sich bei der Beschichtung einstellenden Temperatur berücksichtigt.