DE10143145C1 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Schichtsystemen für optische Präzisionselemente - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von Schichtsystemen für optische Präzisionsbauelemente, die auf einem Substrat einen Stapel von abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden optisch wirksamen Schichten enthalten, wobei die Abscheidung einzelner Schichten durch Pulsmagnetron-Sputterstationen erfolgt. Die an einem konstant gehaltenen Arbeitspunkt im " Transientmode" reaktiv betrieben werden, wobei das Substrat durch gleichförmige Linearbewegung an der jeweiligen Pulsmagnetron-Sputterstation mit dem zugehörigen Targetmaterial, aus dem die Schicht reaktiv gebildet wird, mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit v¶1¶ vorbeigeführt wird, wobei v¶1¶ bei der Abscheidung einzelner Schichten so eingestellt wird, dass nach einer vorgegebenen Anzahl von Passagen die jeweilige Schicht bis zu einer Dicke von mindestens 50% der Sollschichtdicke aufgebracht wird, wobei danach auf dem Substrat eine optische Präzisionsmessung der Transmission und/oder der Reflexion und/oder der Polarisation des Teilschichtsystems durchgeführt wird, deren Ergebnis mit einem Sollwert verglichen wird, der nach vollständiger Abscheidung der jeweiligen Schicht erreicht werden muss, wobei daraus die restliche bis zur Sollschichtdicke verbleibende Dicke der Schicht ermittelt wird, dass entsprechend der noch fehlenden Schichtdicke eine neue Geschwindigkeit v¶2¶ vorgegeben wird, bei der sich nach einer vorgegebenen Anzahl von Passagen die Soll-Schichtdicke einstellt oder eine ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von Schicht­ systemen für optische Präzisionsbauelemente.

Solche Schichtsysteme bestehen aus zahlreichen, häufig mehr als 50 abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden optisch wirksamen Schichten. Die Bauelemente finden zum Beispiel Anwendung in Netzen zur optischen Datenübertragung, z. B. als Schmalbandfilter in Dense Wavelength Division Multiplexer (DWDM) (WO 01/04668) und Gain Flattening Filter (WO 99/50978).

Schichtsysteme für optische Präzisionselemente erfordern eine sehr genaue Einhaltung der "optischen Dicke" jeder Einzelschicht. Diese wird von Brechzahl und geometrischer Dicke der Schicht bestimmt. Typische Toleranzanforderungen betragen 0,1 Prozent.

Es ist bekannt, solche Schichtsysteme durch plasmagestützte Elektronenstrahlverdampfung unter Ausnutzung einer sehr aufwändigen Prozesssteuer- und Messtechnik herzustellen (Society of Vacuum Coaters 1998, Proc. 41st Annual Technical Conference ISSN 0737-5921 p. 217-219). Die Toleranzanforderungen werden dabei nur auf einer eng begrenzten Teilfläche der für die Substrataufnahme vorgegebenen Fläche erfüllt. Eine Prüfung der erreichten Schichteigenschaften und Selektion der vereinzelten Bauelemente, auf denen die Toleranzanforderungen erfüllt werden, ist sehr aufwendig.

Es ist weiterhin möglich, solche Schichtsysteme durch Ionenstrahl-Zerstäuben herzustellen (Firmenschrift "Spector" der Firma Veeco, Fort Collins, Col., USA, 1999). Es wird über eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Schichteigenschaften gegenüber dem vorgenannten Verfahren und damit über eine höhere Ausbeute berichtet. Infolge der niedrigen Abscheide­ rate von 0,2. . .0,3 nm/s bei diesem Verfahren ist jedoch ebenfalls eine unzureichende Wirtschaftlichkeit gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zugehörige Einrichtung zur Abscheidung von Schichtsystemen der bezeichneten Art anzugeben, das sich gegenüber dem Stand der Technik durch höhere Wirtschaftlichkeit auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 10 dargestellt. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 11 beschrieben. Weitere Ausführungen der Einrichtungen tragen die in den Ansprüchen 12 bis 19 dargelegten Merkmale.

Das Verfahren nutzt zur Abscheidung hoch- und niedrigbrechender optischer Schichten das reaktive Pulsmagnetronzerstäuben (Sputtering, Sputtern), wobei jedes Substrat zum Auf­ bringen jeder einzelnen hoch- oder niedrigbrechenden Schicht durch eine gleichförmige Linearbewegung relativ zu mindestens einer Puls-Magnetron-Sputterstation mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit v₁ bewegt wird. Die Sputterstationen sind mit metallischen oder oxidhaltigen Targets versehen, welche die Metalle enthalten, aus denen nach der reaktiven Umsetzung die hochbrechenden und die niedrigbrechenden Schichten bestehen. Die Prozessführung erfolgt in an sich bekannter Weise so, dass durch Einlass von Reaktivgas ein stabiler Zustand erreicht wird, der im Übergang von sogenannten "metallic mode" zum "reactive mode" liegt und als "Transientmode" bezeichnet wird (S. Schiller, U. Heisig, Chr. Korndörfer, G. Beister, J. Reschke, K. Steinfelder and J. Strümpfel, Reactive d. c. high-rate sputtering as production technology, Surf. Coat. Technol., 33 (1987) 405). Erfindungsgemäß werden die Pulsmagnetron-Sputterstationen zumindest für die Dauer der Herstellung eines kompletten Schichtsystems auf einem Substrat bei einem konstant ge­ haltenen Targetbedeckungsgrad, dem sogenannten Arbeitspunkt, betrieben. Sie werden auch in Zeitabschnitten, in denen sich vor der Pulsmagnetron-Sputterstation kein zu beschichtendes Substrat befindet, mit konstanter Leistung weiter betrieben. Die Dicke der einzelnen Schichten wird durch Variation der Transportgeschwindigkeit, mit der die Substrate an der jeweiligen Pulsmagnetron-Sputterstation vorbeigeführt werden, eingestellt.

Erfindungsgemäß erfolgt zumindest für einige der einzelnen Schichten des Schichtsystems die Aufbringung derart, dass die vorgegebene Dicke der Einzelschicht erst nach mehreren Beschichtungsschritten erreicht wird. Durch geeignete Auswahl einer Transport­ geschwindigkeit v₁ wird zunächst nur eine Schichtdicke von mindestens 50%, vorzugsweise 90%, der Sollschichtdicke aufgebracht. Anschließend erfolgt auf dem teilbeschichteten Substrat eine optische Präzisionsmessung. Dabei werden bekannte Messverfahren zur Ermittlung der Transmission und/oder der Reflexion und/oder der Polarisation genutzt. Aus dem Vergleich der so gewonnenen Messwerte mit einem zugehörigen Sollwert wird die Restschichtdicke bis zur Erreichung der exakten Sollschichtdicke der jeweiligen Einzelschicht berechnet und zur Festsetzung einer anderen Transportgeschwindigkeit v₂ verwendet. Diese wird so gewählt, dass sich nach einer weiteren Beschichtung, die sich wiederum aus mehreren Einzelschritten zusammensetzen kann, genau die angestrebte Sollschichtdicke der einzelnen Schicht, also die für die Funktionsweise des gesamten Schichtsystems erforderliche "optischen Dicke" der Einzelschicht, ergibt. Im Sinne der Erfindung kann das Aufbringen einer Einzelschicht auch in mehr als zwei Teilschichten erfolgen, wobei mehrmals eine optische Präzisionsmessung und eine Festlegung einer neuen Transport­ geschwindigkeit für das Aufbringen der nächsten Teilschicht erfolgt. Der jeweilige Sollwert der gemessenen optischen Größe und die verbleibende Restschichtdicke werden durch numerische Simulation der angestrebten optischen Eigenschaft des Bauelementes oder gegebenenfalls auf experimentellem Wege ermittelt.

Durch die Aufteilung der Abscheidung einer einzelnen Schicht in mehrere messtechnisch überwachte Teilbeschichtungen lässt sich eine deutliche Verbesserung bei der präzisen Einhaltung einer vorgegebenen Schichtdicke erzielen. Gleichzeitig führt die hohe Stabilität des Beschichtungsprozesses, welche durch die ohne Zwischenabschaltung betriebenen Pulsmagnetron-Sputterstationen erreicht wird, auch bei wirtschaftlichen Beschichtungsraten von über 1 nm/s zu einer Gleichmäßigkeit der Schichteigenschaften, die die Einhaltung enger Toleranzvorgaben auf einem gegenüber dem Stand der Technik vergrößerten Substratbereich ermöglicht.

Als vorteilhaft erweist es sich, die Pulsmagnetron-Sputterstationen im sogenannten Unipolar-mode zu betreiben. Dazu werden in bekannter Weise Gleichstrompulse in Einzel- Magnetronquellen eingespeist, die mit Hilfe einer sogenannten versteckten Anode betrieben werden. (S. Schiller, K. Goedicke, J. Reschke, V. Kirchhoff, S. Schneider and F. Milde, Pulsed magnetron sputter technology, Surf. Coat. Technol., 61 (1993) 331).

In einer weiteren Vorteilhaften Ausgestaltung bestehen die Pulsmagnetron-Sputterstationen aus Paaren von Einzel-Magnetronquellen, die im sogenannten Bipolar-mode betrieben werden (ebenda).

Eine weitere Verbesserung der Homogenität der optischen Eigenschaften des Schicht­ systems wird erreicht, indem zusätzlich zur Linearbewegung eine Rotation des Substrates während der Beschichtungsphasen um eine zur Substratebene senkrechte Achse erfolgt.

Vorteilhafterweise erfolgt vor Beschichtung der optischen Präzisionsbauteile eine Probe­ beschichtung von Einzelschichten. Durch eine ortsaufgelöste Messung optischer Kenn­ größen wird die Homogenität der Schichteigenschaften, also hauptsächlich der "optischen Dicke", bewertet und gegebenenfalls mit an sich bekannten Maßnahmen so weit verbessert, bis lokale Abweichungen weniger als ±1%, vorzugsweise weniger als 0,1%, betragen. Solche Maßnahmen beziehen sich auf Korrekturen der Gasdichteverteilung, der Gestaltung von Blenden, der Korrektur von Magnetfeldern der Magnetquellen und andere Maßnahmen.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn aus der Vielzahl der optischen Präzisionsmessungen an Teilschichten, die von einer Pulsmagnetron-Sputterstation abgeschieden worden sind, Trends einer Veränderung der Abscheiderate ermittelt und bei der Festlegung der Transport­ geschwindigkeiten für nachfolgende Beschichtungsphasen berücksichtigt werden.

Es kann zweckmäßig sein, nach der Beschichtung der Substrate mit einer Anzahl von Einzelschichten unbeschichtete Testsubstrate mit Einzelschichten zu beschichten und deren optische Eigenschaften zu bestimmen, um das Ergebnis bei der Festlegung der Transportgeschwindigkeiten zu berücksichtigen. Der Vorteil der Messung von optischen Eigenschaften an Einzelschichten ist durch höhere Messgenauigkeit begründet, und es wird eine genaue Eichung der Abhängigkeit der Schichtdicke von der Transportgeschwindigkeit ermöglicht.

Es ist aus wirtschaftlichen und technischen Gründen besonders vorteilhaft, wenn sich mindestens zwei Substrate gleichzeitig im Beschichtungsprozess befinden und mindestens zwei Pulsmagnetron-Sputterstationen, in denen unterschiedliche Materialien zerstäubt werden, gleichzeitig betrieben werden. Dabei werden zeitgleich eine hochbrechende Schicht auf einem Substrat oder einer Gruppe von Substraten und eine niedrigbrechende Schicht auf dem anderen Substrat oder der anderen Gruppe von Substraten abgeschieden. Neben einem erhöhten Substratdurchsatz und einer besseren Ausnutzung der Targets wird bei dieser Verfahrensweise die Stabilität der Beschichtungsprozesse deutlich erhöht, weil stets der größte Teil des abgestäubten Materials auf den Substraten abgeschieden wird und somit störende Schichtbildungen auf inneren Teilen der Beschichtungsanlage reduziert werden.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst mindestens eine, vorzugsweise jedoch zwei miteinander verbindbare evakuierbare Vakuum­ beschichtungskammern zur Aufnahme von mindestens einem Substrat. Ist nur eine Kammer vorhanden, so ist durch deren Gestaltung und Anordnung von Vakuumpumpen sowie geeigneter partiell trennender Bleche eine weitgehende Entkopplung der Gasströme zwischen den Bereichen, in denen sich die Pulsmagnetron-Sputterstationen befinden, zu gewährleisten. Pulsmagnetron-Sputterstationen sind in an sich bekannter Weise aufgebaut und enthalten je mindestens eine Magnetronquelle, Mittel zum Einlassen und Verteilen eines Arbeitsgases und eines Reaktivgases, Mittel zur Messung und Regelung des Partial­ druckes und/oder der Flüsse der eingelassenen Gase sowie Mittel zur Einspeisung und Regelung der elektrischen Energie. Besonders zweckmäßige Gestaltungsmöglichkeiten für eine Pulsmagnetron-Sputterstation sind z. B. in DE 199 47 935 beschrieben. Als Magnetronquellen eignen sich vorzugsweise solche Einrichtungen, die zur Vermeidung von Rückstäubzonen auf dem Target eine Relativbewegung von Target und Magnetron- Magneteinrichtung enthalten.

Die Magnetronquellen sind mit Targets bestückt, die vorzugsweise das Metall, aus dem die Verbindungsschicht für die hochbrechende und niedrigbrechende Schicht gebildet wird, in elementarer Form enthält, z. B. Tantal zur Herstellung einer hochbrechenden Ta₂O₅-Schicht und Silizium zur Herstellung einer niedrigbrechenden SiO₂-Schicht. Weiterhin umfasst die Einrichtung mindestens eine Messstation außerhalb der Pulsmagnetron-Sputterstationen, die mit Mitteln zur Präzisionsmessung einer oder mehrerer optischer Eigenschaften des beschichteten Substrates ausgestattet ist. Beispielhaft kann diese Messstation ein Transmissions-Photometer enthalten, das mit einem mono­ chromatischen Lichtstrahl im infraroten Wellenlängebereich arbeitet. Die Pulsmagnetron-Sputterstationen der Einrichtung können so angeordnet sein, dass sie beide und mit gegebenenfalls mehreren Messstationen nebeneinander in einer Ebene liegen. In diesem Fall sind Mittel zum Substrattransport so gestaltet, dass eine Linear­ bewegung der Substrate durch die gesamte Einrichtung erfolgen kann. Im Interesse einer Verringerung der Größe der Einrichtung kann es auch zweckmäßig sein, die Pulsmagnetron- Sputterstationen übereinander oder einander gegenüberliegend anzuordnen. In diesen Fällen ist die Substratbewegung nur in Teilstücken linear und enthält weiterhin Mittel, die die Verschiebung der Ebene des Substrattransportes oder deren Drehung um 180° bewirken.

Die Einrichtung enthält weiterhin Mittel zum linearen Transport der Substrate relativ zu jeder der Pulsmagnetron-Sputterstationen in einem definierten, präzise eingehaltenen Abstand zu den Magnetronquellen, wobei die wahlfreie Folge bei der Auswahl der jeweiligen Pulsmagnetron-Sputterstationen für eine Beschichtung gegeben ist. Die Transport­ einrichtung ist mit Mitteln zur genauen Einstellung und gegebenenfalls Messung der Lineargeschwindigkeit der Substrate versehen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst vorteilhafterweise eine weitere Vakuumkammer zum Ein- und Ausschleusen der Substrate mit den erforderlichen Mitteln für Evakuierung, Gaseinlass und Substrattransport sowie eine Vorrichtung zum Temperieren der Substrate. Letzteres ermöglicht die Einhaltung gleichbleibender Kondensationsbedingungen. Ferner ist die Einrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung mit Mitteln zur wellenlängen­ abhängigen Messung einer der optischen Kenngrößen, z. B. einem Spektrometer zur Messung der Reflexion, versehen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Mittel zur linearen Bewegung der Substrate zumindest im Bereich der Prozessstationen eine nahezu vertikale Lage der Substrate oder höchstens eine Abweichung von 10° von der vertikalen Lage bewirken.

Besonders zweckmäßig ist es, die Einrichtung mit Substratträgern zur Aufnahme und zum Transport der Substrate auszurüsten, die aus einem leicht bearbeitbaren keramischen Werkstoff bestehen, massiv gestaltet sind und zur Aufnahme der Substrate eine Vertiefung aufweisen derart, dass Substratträger und Substrat auf der zu beschichtenden Seite eine ebene Fläche bilden. Vorteilhafterweise sind die Halterungen mit Mitteln zur berührungs­ freien magnetischen Führung der Substratträger in Verbindung gebracht, was ein besonders schwingungsarmes Transportieren ermöglicht.

An einem Ausführungsbeispiel werden das Verfahren und eine Einrichtung zu seiner Durch­ führung näher erläutert.

Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung in Draufsicht.

Die Einrichtung umfasst eine evakuierbare Vakuumbeschichtungskammer (1). Zwei Substrate (2') (2") können innerhalb der Vakuumbeschichtungskammer (1) im Bereich von zwei gegenüberliegenden Pulsmagnetron-Sputterstationen (3') (3") linear bewegt werden. Dazu sind die Substrate in 20 mm dicken, aus Glaskeramik gefertigten und mit Vertiefung versehenen Aufnahmen (nicht dargestellt) eingelegt. Diese Aufnahmen sind von einem Rahmen (ebenfalls nicht dargestellt) aus ferromagnetischem Werkstoff umschlossen. Jeweils ein Linearantrieb (4') (4") sichert die präzise Bewegung der Rahmen mit einer Transport­ geschwindigkeit, die im Bereich 0,3 cm/s bis 100 cm/s mit einer Genauigkeit von 10^-3 einstellbar ist. Die Aufnahmen sichern gleichzeitig eine nahezu senkrechte Lage der Substrate. Durch ein berührungsloses magnetisches Führungssystem für die Rahmen erfolgt deren Führung mit einer Lagegenauigkeit senkrecht zur Substratebene von ±0,1 mm. Die Pulsmagnetron-Sputterstationen (3') (3") sind gegenüberstehend und um 180° gedreht angeordnet. Zwischen beiden Prozessstationen befindet sich eine gasdichte Trennwand, die in Verbindung mit der Lage zweier Vakuumpumpen (5') (5") eine weitgehende Entkopplung der Reaktivgasströme durch die Pulsmagnetron-Sputterstationen bewirkt. Die Pulsmagnetron-Sputterstationen (3') (3") enthalten je zwei Magnetronquellen mit rechteckigen, ebenen Targets der Abmessung 400 × 100 mm² (6') (6") bzw. (6''') (6""), wobei die Targets der Magnetronquellen (6') (6") einer Pulsmagnetron-Sputterstation aus hochreinem Tantal und die Targets der Magnetronquellen (6''') (6"") der anderen Pulsmagnetron-Sputterstation aus Silizium bestehen. Die Pulsmagnetron-Sputterstationen enthalten weiterhin ein System (nicht dargestellt) zum Einlass und zur Verteilung des Arbeitsgases Argon und des Reaktivgases Sauerstoff sowie Einrichtungen zur Gasregelung auf der Basis der Messung der optischen Emission des Plasmas (nicht dargestellt). Zur Versorgung der Magnetronquellen dienen Stromversorgungen(nicht dargestellt), die bipolar gepulste Energie bei einer Frequenz von 50 kHz bereitstellen können. Blenden (7') (7") trennen die Pulsmagnetron-Sputterstationen von Messstationen (8') (8"). Die Messstationen enthalten Transmissions-Photometer, die bei einer Wellenlänge von 1520 nm arbeiten. Eine Transport- und Drehvorrichtung (9) für die Substrataufnahmen ermöglicht den wahl­ freien Transfer der Substrate von einer Pulsmagnetron-Sputterstation (3') zur anderen (3") und umgekehrt sowie zu einer Vakuumkammer (10), die dem Ein- und Ausschleusen der Substrate dient. Die Vakuumkammer (10) enthält außerdem eine Einrichtung zum Temperieren der Substrate (nicht dargestellt).

Das Verfahren wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Beschichtung von 10 mm dicken Glassubstraten der Abmessung 150 × 150 mm² mit einem Schichtsystem zur Herstellung von Schmalbandfiltern (DWDM) eingesetzt. Die vereinzelten Filter haben die Abmessung 1,5 × 1,5 × 1 mm³. Das Schichtsystem enthält 120 optisch wirksame Einzel­ schichten unterschiedlicher optischer Dicke. Als Schichtmaterialien werden Ta₂O₅ und SiO₂ ausgewählt.

Zur Abscheidung des Vielfachschichtsystems werden zunächst beide Pulsmagnetron- Sputterstationen in Betrieb genommen. Dazu wird ein Argondruck von 0.2 Pa bei einem Argonfluss von jeweils 150 sccm eingestellt und geregelt. Die bipolaren Stromversorgungen speisen 8 kW in die Magnetronquellen mit Tantaltargets und 7 kW in die Magnetronquellen mit Siliziumtargets ein. Durch Vorgabe von Sollwerten für die Regelung des Reaktivgasflusses, also des Sauerstoffflusses, wird in bekannter Weise ein Arbeitspunkt für beide Pulsmagnetron-Sputterstationen eingestellt, der eine vergleichsweise hohe Abscheiderate und die Stöchiometrie der Ta₂O₅- bzw. SiO₂-Schichten sichert. Die Pulsmagnetron-Sputterstationen werden anschließend durch eine Testbeschichtung kontrolliert, indem auf je einem Testsubstrat eine Ta₂O₅- und eine SiO₂-Schicht abgeschieden und daraus die Abscheideraten bestimmt werden. Anschließend bleiben die Pulsmagnetron-Sputterstationen ohne Unterbrechung während des gesamten Abscheideprozesses eingeschaltet. Die Pulsmagnetron-Sputterstationen werden mit Hilfe von Regelkreisen und speziellen Algorithmen zur Kompensation der Einflüsse der Targeterosion so betrieben, dass möglichst geringe Langzeitdriften der Abscheideraten auftreten.

Durch Simulationsrechnungen wird ein auf das Design des Vielschichtsystems, d. h. die Anzahl und Sollschichtdicke der Einzelschichten, abgestimmter Satz von Sollwerten für die Transmission bei bestimmten Wellenlängen nach dem Aufbringen jeder Einzelschicht erstellt. Diese Wellenlängen entsprechen Wellenlängen, bei der auch das fertige Vielschicht­ system eine hohe Transmission aufweisen soll. Im vorliegenden Beispiel wird eine Wellen­ länge von 1520 nm verwendet.

Nach dem nacheinander durchgeführten Einschleusen von zwei Substraten mittels der Vakuumkammer (10) werden zunächst unter Nutzung der beiden Pulsmagnetron- Sputterstationen aus Gründen der Verbesserung der Messgenauigkeit der optischen Präzisionsmessung Entspiegelungsschichten aus je zwei hoch- und niedrigbrechenden Einzelschichten in an sich bekannter Weise auf die spätere Rückseite der Substrate aufgebracht. Ziel ist die Reduktion der Restreflexion im Wellenlängenbereich um 1520 nm auf < 0.1 Prozent. Danach werden beide Substrate mittels Vakuumkammer (10) ausge­ schleust, gewendet und wieder eingeschleust, so dass die Substratseite, auf die das Vielfachschichtsystem aufgebracht werden soll, an den aktiven Targetflächen vorbei geführt werden kann. Anschließend wird Substrat (2') in der Messstation (8') positioniert, und es erfolgt die Messung der Transmission des unbeschichteten, mit der Rückseitenentspiegelung versehenen Substrates bei einer Wellenlänge von 1520 nm. Aus dem ermittelten Wert der Abscheiderate für die Pulsmagnetron-Sputterstation (3') wird eine Geschwindigkeit v'_1,1 bestimmt derart, dass nach zweimaligem Durchfahren (Hin- und Rückfahrt) der Pulsmagnetron-Sputterstation (3') etwa 90% der ersten Einzelschicht aufgebracht sind. Danach erfolgt in der Messstation (8') eine Transmissionsmessung. Aus der Differenz zum Sollwert S₁ entsprechend der Simulation wird eine zweite, deutlich größere Geschwindigkeit v'_2,1 bestimmt, so dass nach erneutem zweimaligen Durchfahren der Pulsmagnetron- Sputterstation (3') die erste Einzelschicht im Rahmen der Messgenauigkeit exakt erreicht wird. Eine Kontrolle erfolgt über erneutes Messen der Transmission.

Das Substrat (2') wird danach mittels der Drehvorrichtung (9) für das Aufbringen der zweiten niedrigbrechenden Schicht vor der zweiten Pulsmagnetron-Sputterstation (3") bereitgestellt. Zeitgleich steht nun das Substrat (2") für das Aufbringen der ersten hochbrechenden Schicht bereit. Das Aufbringen der ersten SiO₂-Schicht auf das Substart (2') erfolgt in der zweiten Pulsmagnetron-Sputterstation (3") in sinngemäß gleicher Weise wie das zuvor beschriebene Aufbringen der hochbrechenden Ta₂O₅-Schicht. In dieser Zeit erfolgt für das zweite Substrat (2") die Abscheidung der ersten Schicht mit, wie zuvor für das Substrat (2') beschrieben, der Transportgeschwindigkeit v"_1,1 = v'_1,1. Ganz allgemein erfolgen auf dem Substrat (2') jeweils die Beschichtung der i-ten Einzelschicht mit den Geschwindigkeiten v'_1,i und v'_2,i und auf dem Substrat (2") die Beschichtung der (i - 1)-ten Einzelschicht mit den Geschwindigkeiten v"_1,i-1 und v"_2,i-1 weitgehend gleichzeitig. Die Geschwindigkeiten v'_2,i und v"_2,i-1 werden jeweils aus der Differenz der Ergebnisse der vorangegangenen Messungen zu den berechneten Sollwerten der Transmission und der daraus abgeleiteten Restschichtdicke zur Vollendung der i-ten Schicht bestimmt. Wird aus den v_2,i-Werten eine Veränderung der Abscheiderate in einer der Pulsmagnetron- Sputterstationen erkannt, so kann auch die Geschwindigkeit v_1,i entsprechend dieser Tendenz verändert vorgegeben werden. Die Drehvorrichtung (9) sichert das wechselseitige Bereitstellen der Substrate an den jeweiligen Pulsmagnetron-Sputterstationen und Messstationen und dient gleichzeitig als Parkposition für eines der Substrate bei Unter­ schieden in der Beschichtungsdauer der Einzelschichten für die beiden Substrate. Nach Aufbringen aller Einzelschichten auf beiden Substraten werden diese Substrate einzeln mittels der Vakuumkammer (10) ausgeschleust. Die Pulsmagnetron-Sputterstationen sind für die Beschichtung eines weiteren Paares von Substraten bereit. In diesem Fall werden sie nicht ausgeschaltet.

Der Zeitbedarf für die Abscheidung des besagten Schichtstapels auf zwei Substraten mit Schichten, die mehrheitlich λ/4-Schichten sind, beträgt etwa 9 Stunden. Ein Teil dieser Zeit wird für Manipulationen der Substrate und die zahlreichen Messungen benötigt. Durch die hohe Grundstabilität der rechnergestützt geregelten reaktiven Puls-Magnetron- Sputterprozesse und die erfindungsgemäße Durchführung des Abscheideprozesses wird eine hohe Ausbeute an optischen Präzisionsbauelementen erreicht, die funktional bedingten Toleranzvorgaben genügen.

Claims (19)

1. Verfahren zur Herstellung von Schichtsystemen für optische Präzisionsbauelemente, die auf einem Substrat einen Stapel von abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden optisch wirksamen Schichten enthalten, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abscheidung einzelner Schichten durch Pulsmagnetron-Sputterstationen erfolgt, die an einem konstant gehaltenem Arbeitspunkt im "Transientmode" reaktiv betrieben werden, wobei das Substrat durch gleichförmige Linearbewegung an der jeweiligen Pulsmagnetron-Sputterstation mit dem zugehörigen Targetmaterial, aus dem die Schicht reaktiv gebildet wird, mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit v₁ vorbeigeführt wird,
wobei v₁ bei der Abscheidung einzelner Schichten so eingestellt wird, dass nach einer vorgegebenen Anzahl von Passagen die jeweilige Schicht bis zu einer Dicke von mindestens 50% der Sollschichtdicke aufgebracht wird,
dass danach auf dem Substrat eine optische Präzisionsmessung der Transmission und/oder der Reflexion und/oder der Polarisation des Teilschichtsystems durchgeführt wird, deren Ergebnis mit einem Sollwert verglichen wird, der nach vollständiger Abscheidung der jeweiligen Schicht erreicht werden muss,
dass daraus die restliche bis zur Sollschichtdicke verbleibende Dicke der Schicht ermittelt wird, dass entsprechend der noch fehlenden Schichtdicke eine neue Geschwindigkeit v₂ vorgegeben wird, bei der sich nach einer vorgegebenen Anzahl von Passagen die Sollschichtdicke einstellt oder eine erneute Bestimmung der Schichtdicke und Festlegung einer weiteren Geschwindigkeit erfolgt, bis die Sollschichtdicke erreicht ist
und dass die Puls-Magnetron-Sputterstationen zumindest während der Dauer der Abscheidung aller Schichten eines Stapels nicht abgeschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollschichtdicke nach je zwei Passagen mit zwei Geschwindigkeiten erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit v₁ so eingestellt wird, dass nach zwei Passagen bereits mindestens 90% der Sollschichtdicke abgeschieden sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Puls-Magnetron-Sputterquellen Einzelquellen dienen, die mit Hilfe einer sogenannten versteckten Anode unipolar durch Einspeisung von Gleichstrompulsen betrieben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Puls-Magnetron-Sputterquellen paarweise betriebene Doppelanordnungen von Magnetrons dienen, die bipolar durch Einspeisung von mittelfrequenten Wechsel­ strompulsen betrieben werden.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Substrat zusätzlich zur Linearbewegung um eine senkrecht zur Substrat­ ebene verlaufende Achse rotiert.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Puls-Magnetron-Sputterstationen vor Beschichtung der optischen Präzisions­ bauteile durch Probebeschichtungen mit an sich bekannten Maßnahmen so weit optimiert werden, dass lokale Abweichungen der Schichteigenschaften auf dem Substrat beim Aufbringen einer Einzelschicht weniger als ±1% betragen.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung der zum Erreichen der Sollschichtdicke erforderlichen Geschwindigkeit v₂ eine Drift der mittleren Abscheiderate jeder der Beschichtungs­ stationen erkannt und durch Anpassung des Vorgabewertes für die Geschwindigkeit v_1i ausgeglichen wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen einer Anzahl einzelner Schichten die Beschichtung des Substrates unterbrochen wird, dass ein in der Beschichtungskammer bereitgestelltes Testsubstrat in analoger Weise mit einer einzelnen Schicht beschichtet wird, ihre Transmission und/oder Reflexion und/oder Polarisation gemessen und mit einem Soll­ wert verglichen wird und dass aus der festgestellten Abweichung die Abhängigkeit der Schichtdicke von der Transportgeschwindigkeit ermittelt und in eine Korrektur der vorgegebenen Geschwindigkeit v_1i einbezogen wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mindestens zwei Substrate beschichtet werden, wobei während des Aufbringens einer hochbrechenden Schicht auf einem Substrat das Aufbringen einer niedrigbrechenden Schicht auf einem anderen Substrat erfolgt und umgekehrt.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend mindestens eine evakuierbare Vakuumbeschichtungskammer (1) zur Aufnahme von mindestens einem Substrat (2), mindestens zwei örtlich voneinander getrennt angeordnete Pulsmagnetron-Sputterstationen (3'; 3") zur Durchführung eines reaktiven Puls-Magnetronzerstäubungsprozesses, mit mindestens je einer Magnetron­ quelle, Mitteln zum Einlassen und Verteilen eines Arbeitsgases und eines Reaktivgases, Mitteln zur Messung und Regelung des Partialdruckes und/oder der Flüsse der eingelassenen Gase sowie Mitteln zur Einspeisung und Regelung elektrischer Energie, wobei die Magnetronquellen mindestens einer Pulsmagnetron-Sputterstation mit Targets zur Abscheidung optisch hochbrechender Schichten und die Magnetron­ quellen mindestens einer anderen Pulsmagnetron-Sputterstation mit Targets zur Abscheidung optisch niedrigbrechender Schichten bestückt sind, Mittel zur linearen Bewegung der Substrate relativ zu jeder der Pulsmagnetron-Sputterstationen in einem definierten Abstand zu den Magnetronquellen, sowie mindestens einer Mess­ einrichtung zur Präzisionsmessung der optischen Reflexion und/oder der optischen Transmission und/oder der Polarisation eines in einem definierten Abstand zu dieser Messeinrichtung positionierten Substrates.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung ein Transmissions-Photometer für monochromatisches Licht enthält.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine weitere Vakuumkammer zum Ein- und Ausschleusen von Substraten enthält.

14. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sie eine Einrichtung zum Temperieren von Substraten enthält.

15. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sie eine Vorrichtung zur wellenlängenabhängigen Messung einer der optischen Kenngrößen Transmission, Reflexion oder Polarisation des beschichteten Substrates in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich enthält.

16. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Mittel zur linearen Bewegung der Substrate so ausgelegt sind, dass eine vertikale Substratlage oder höchstens eine Abweichung von 10° von der vertikalen Lage realisiert wird.

17. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zum Transport der Substrate massive Substratträger enthalten sind, die aus einem bearbeitbaren keramischen Werkstoff bestehen und eine Vertiefung zur annähernd formschlüssigen Aufnahme der Substrate aufweisen.

18. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, dass Mittel zur berührungsfreien magnetischen Führung der Substratträger vorhanden sind.

19. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die zusätzlich zur linearen Bewegung der Substrate eine Rotation der Substrate um eine Achse senkrecht zur Substratebene ermöglichen.