DE102004024351A1

DE102004024351A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Aufbringen eines Dünnschichtsystems mittels Zerstäuben

Info

Publication number: DE102004024351A1
Application number: DE200410024351
Authority: DE
Inventors: Hagen Dr. Bartzsch; Peter Dr. Frach; Klaus Goedicke; Stephan Lange
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-12-08
Also published as: FR2872173B1; JP4163151B2; FR2872173A1; JP2005330571A; CH697685B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbringen eines Dünnschichtsystems mit einer komplexen physikalischen Funktion entsprechend eines vorgegebenen Designs auf mindestens ein Substrat mittels einer Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäubungseinrichtung mit mindestens einem Target (108), wobei das Dünnschichtsystem aus stofflich unterschiedlichen Teilschichten besteht und die Beschichtungsposition des Substrats bei Aufstäuben aller Teilschichten innerhalb einer Vakuumarbeitskammer (103) nicht verändert wird, wobei ein Trägergas mittels einer Gaseinlasseinrichtung (110) eingelassen wird; mindestens zwei unterschiedliche Reaktivgase mittels einer zweiten Gaseinlasseinrichtung (109) separat steuerbar eingelassen werden; das Reaktivgasmischverhältnis in der Vakuumarbeitskammer entsprechend des vorgegebenen Designs des Dünnschichtsystems mittels einer Einrichtung zeitabhängig eingestellt wird; ein Wert mindestens einer charakteristischen Größe des Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäubers mittels einer Messeinrichtung (116) erfasst wird; der erfasste Wert mit einem ersten Sollwert mittetls einer Auswerteeinrichtung (117) verglichen und ein erstes Stellsignals für die Gasmenge der Reaktivgase, die in die Vakuumarbeitskammer (103) strömen, abgeleitet wird, wobei das Reaktivgasmischverhältnis in der Vakuumarbeitskammer (103) nicht verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbringen eines Dünnschichtsystems mit einer komplexen physikalischen Funktion, z.B. einer optischen Funktion, auf ein Substrat, wobei das Schichtsystem durch Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäuben aufgebracht wird. Beispiele für derartige physikalische Funktionen sind in der Optik das Verspiegeln oder Entspiegeln optischer Bauteile, also das im Allgemeinen wellenlängenabhängige Verändern der Transmission und Reflexion einer Substratoberfläche. Solche Beschichtungen werden für unterschiedlichste optische Bauelemente benötigt, etwa zum Erzeugen von Linsen, Prismen und Filtern. Dabei werden oft sehr hohe Präzisionsanforderungen an die Beschichtung gestellt. Die eigentliche optische Funktion des Dünnschichtsystems wird durch das so genannte Design des Schichtsystems, also die sachgerechte Wahl der Dicke und des Brechungsindex mehrerer bis mehrerer hundert übereinander liegender stofflich unterschiedlicher Einzelschichten erreicht.

Schichtsysteme der beschriebenen Art werden überwiegend durch Vakuumbedampfungsverfahren, meist mit Ionen- oder Plasmaunterstützung des Beschichtungsprozesses, hergestellt. Seit einiger Zeit, seit Einführung des Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäubens, besteht jedoch auch die Möglichkeit zur Nutzung dieses vorteilhaften alternativen Abscheideverfahrens, um transparente Schichten mit sehr guten Schichteigenschaften abzuscheiden. Argumente zur Nutzung von Zerstäubungsverfahren (engl. sputtering) sind eine hohe Zerstörungsschwelle der gesputterten Schichten, z.B. für Laserstrahlung hoher Energiedichte, eine hohe Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Schichten, eine gute Steuerbarkeit des Zerstäubungsprozesses und damit hohe Genauigkeit, gute Temperaturund Klimabeständigkeit sowie logistische Vorteile durch Vermeidung der für Bedampfungsanlagen typischen „Batch-Anlagen" [vgl. z.B. H. Frey, G. Kienel, (Hrsg.) = Dünnschichttechnologie, VDI-Verlag Düsseldorf 1987 Bild 9-68 (s. 500)].

Trotz dieser zahlreichen Vorteile können sich Zerstäubungseinrichtungen zum Aufbringen von Dünnschichtsystemen für komplexe optische Funktionen nur sehr langsam durchsetzen. Eine Ausnahme bildet die Großflächenbeschichtung von Architekturglas [vgl. ebenda Bild 9-93, S. 531 ] oder Kunststoff-Folie mit wärmestrahlenreflektierenden und anderen Schichtsystemen, wofür die Bedampfungstechnik keine akzeptablen Lösungen bietet. Ein wesentlicher Grund besteht in den vergleichsweise hohen Investitionskosten für solche Zerstäubungsanlagen, die deshalb nur bei der Massenproduktion bzw. beim Beschichten sehr großer Substratflächen akzeptabel sind. Diese hohen Investitionskosten ergeben sich aus dem Sachverhalt, dass es sich meist um Durchlauf-Sputteranlagen handelt, in denen die Substrate nacheinander relativ zu unterschiedlichen Magnetron-Zerstäubungseinrichtungen bewegt werden, wovon mindestens mit einer Zerstäubungseinrichtung eine hochbrechende und mit einer Zerstäubungseinrichtung eine niedrigbrechende Schicht erzeugt wird. Häufig ist die Zahl der Zerstäubungseinrichtungen noch wesentlich höher, und die Beschichtungseinrichtung besteht aus mehreren nebeneinander angeordneten Vakuumkammern mit Zerstäubungseinrichtungen. Für optische Vielschichtsysteme hoher Präzision ist eine Einrichtung mit zwei Zerstäubungseinheiten, zwei Messstationen zur Zwischen- und Endmessung jeder Einzelschicht und einer hochgenauen Substrattransporteinrichtung vorgeschlagen worden ( DE 101 43 145 C1 ). Wegen des technischen Aufwandes ist eine solche Beschichtungseinrichtung nur bei höchsten Präzisionsanforderungen gerechtfertigt.

Es sind weiterhin Zerstäubungseinrichtungen bekannt, bei denen größere Gruppen von Substraten periodisch auf einem Drehkorb oder einem Drehteller sequentiell relativ zu mindestens zwei Magnetron-Zerstäubungseinheiten und meist mehreren Plasmaquellen bewegt werden, um optisch wirksame Schichtsysteme abzuscheiden. Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der damit abgeschiedenen Schichtsysteme ist durch gegenseitige Kontamination der Zerstäubungseinheiten begrenzt. Soweit derartige Einrichtungen nicht mit aufwändigen Vakuumschleusen für die Substratträger ausgestattet sind, muss außerdem jeweils ein sorgfältiger Vakuumpumpzyklus durchgeführt werden. Beide Nachteile schränken die Einsatzbreite bekannter Einrichtungen zur Schichtabscheidung ein.

Weiterhin sind so genannte Cluster-Konzeptionen für das Aufbringen von Dünnschichtsystemen verwendet worden. Bei diesen wird ein Substrat mittels einer Vakuumschleuse in eine so genannte Transfer- oder Handler-Kammer eingebracht, von wo aus das Substrat entsprechend einem frei wählbaren Programm nacheinander in unterschiedliche Prozesskammern übergeben werden kann, die jeweils mit einer Magnetron-Zerstäubungseinheit für das Abscheiden eines bestimmten Schichtmaterials oder mit einer Plasmaerzeugungseinheit ausgestattet sind. Entsprechend dem Design für das optisch wirksame Schichtsystem ist das zu beschichtende Substrat einer Folge von sich abwechselnden Transport- und Beschichtungsetappen ausgesetzt, wobei es zumindest beim Abscheiden unterschiedlicher Materialien in unterschiedlichen Prozesskammern positioniert wird. Diese Cluster-Konzeption bietet gute Voraussetzungen für das Realisieren optimierter Prozessparameter beim Abscheiden jeder Schicht, jedoch sind zahlreiche Transportetappen erforderlich, während derer nicht beschichtet werden kann. Die Einrichtung zum Beschichten komplexer Dünnschichtsysteme durch Magnetron-Sputtern nach dieser Konzeption erfordert mehrere miteinander verbundene, separat evakuierbare Vakuumkammern und mindestens zwei Magnetron-Zerstäubungseinheiten. Die zahlreichen Transportmanipulationen bilden darüber hinaus eine Gefahr zum Ausbilden von Schichtdefekten infolge Partikel-Generation.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine technisch einfache, kleine und kostengünstige Vorrichtung zum Aufbringen eines Dünnschichtsystems, bestehend aus stofflich mindestens zwei unterschiedlichen Materialien, durch Zerstäuben mit einer komplexen physikalischen, vorzugsweise optischen Funktion auf einem Substrat zu schaffen. Solche komplexen Funktionen können jedoch auch z.B. gewünschte mechanische, katalytische, optische, tribologische oder andere Schichtcharakteristika einzeln oder in Kombination betreffen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll für das Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäuben einsetzbar sein, bei Bedarf eine sehr hohe Präzision und Reproduzierbarkeit für die technologische Umsetzung eines vorgegebenen Designs für das Schichtsystem erlauben und möglichst wenige Substratbewegungen beim Abscheiden des Dünnschichtsystems verlangen. Auf diese Weise soll die Partikelbildung, die zu Schichtdefekten führt, minimiert werden.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 16. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbringen eines Dünnschichtsystems mit einer komplexen physikalischen Funktion entsprechend eines vorgegebenen Designs auf mindestens ein Substrat durch Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäuben, wobei das Dünnschichtsystem aus stofflich unterschiedlichen Teilschichten besteht und die Beschichtungsposition des Substrats bei Aufstäuben aller Teilschichten gleich ist, umfasst folgende Baugruppen:
eine Vakuumarbeitskammer, in welcher eine Magnetron-Zerstäubungseinrichtung mit mindestens einem Target angeordnet ist;
eine Einrichtung zum Ein- und Ausbringen des Substrats in die/aus der Vakuumarbeitskammer;
eine erste Gaseinlasseinrichtung für ein Trägergas;
eine zweite Gaseinlasseinrichtung zum separat steuerbaren Einlass mindestens zweier unterschiedlicher Reaktivgase;
eine Einrichtung zum zeitabhängigen Einstellen des Reaktivgasmischverhältnisses in der Vakuumarbeitskammer entsprechend des vorgegebenen Designs des Dünnschichtsystems;
eine Messeinrichtung zum Erfassen eines Wertes mindestens einer charakteristischen Größe des Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäubens;
eine Regeleinrichtung, mittels der der erfasste Wert mit einem ersten Sollwert vergleichbar ist und daraus ein erstes Stellsignal für die Gasmengen der Reaktivgase, die in die Vakuumarbeitskammer strömen, ableitbar ist, wobei das Reaktivgasmischverhältnis in der Vakuumarbeitskammer nicht veränderbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren stellen sicher, dass zu beschichtende Substrate vor dem Beschichtungsprozess in die Vakuumanlage eingebracht und nach dem Aufbringen des Schichtsystems wieder aus der Vakuumanlage ausgebracht werden, ohne dass die Magnetron-Zerstäubungseinheit belüftet wird. Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass nur eine einzige Zerstäubungseinheit erforderlich ist, selbst wenn das Schichtsystem stofflich aus unterschiedlichen chemischen Verbindungen aufgebaut werden soll. Entsprechend dem bekannten Stand der Technik kann die Zerstäubungseinheit dabei ein oder auch mehrere Targets, wie beispielsweise bei einer sogenannten Doppelring-Zerstäubungsquelle, besitzen.

Ein Substrat bzw. ein Substrathalter mit einem oder mehreren Substraten befindet sich dazu in einer definierten, gegenüber der Zerstäubungseinheit nicht veränderlichen Position, solange der Beschichtungsprozess für jede der Teilschichten abläuft. Ausgenommen davon sind eventuelle Rotationsbewegungen, die das Substrat während eines Beschichtungsvorgangs vollführt, um höchsten Anforderungen an die Schichthomogenität zu genügen. Eine komplexe Schichtfunktion, die entsprechend einem vorgegebenen Schicht-Design erreicht wird, entsteht durch das Verwenden der erfindungsgemäßen Baugruppen, welche einen gesteuerten Einlass mindestens zweier unterschiedlicher Reaktivgase zusätzlich zum Trägergas gewährleisten. Alternativ können auch Einrichtungen zum Einlass eines Mischgases mit einer gesteuerten, zeitlich veränderlichen Gaszusammensetzung Bestandteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sein.

Das Einstellen des Reaktivgasmischverhältnisses in der Vakuumkammer kann in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Zeitfunktion erfolgen. Dazu wird beispielsweise für die unter schiedlichen Teilschichten experimentell ein Reaktivgasmischverhältnis bestimmt, mit welchem beispielsweise ein bestimmter Brechungsindex einer Teilschicht realisierbar ist, wenn die physikalische Funktion des Dünnschichtsystems eine optische Funktion ist. Des Weiteren wird eine zugehörige Zeitdauer ermittelt, in der ein bestimmtes Reaktivgasmischverhältnis während des Zerstäubens aufrechterhalten werden muss, um bei einer vorgegebenen Zerstäubungsleitung eine bestimmte Teilschichtdicke zu erlangen. Entsprechend des vorgegebenen Schicht-Designs werden dann für jede abzuscheidende Teilschicht das experimentell ermittelte Mischungsverhältnis und die dazugehörige Zeitdauer zu einer Zeitfunktion für den Abscheidevorgang des gesamten Dünnschichtsystems zusammengefügt.

Alternativ kann das Reaktivgasmischverhältnis in der Vakuumarbeitskammer mittels einer Regelstrecke eingestellt werden. Dazu erfasst eine Messeinrichtung mindestens einen Wert, der der physikalischen Funktion einer Teilschicht oder/und des aufwachsenden Dünnschichtsystems entspricht. Bei einer optischen Funktion kann als Wert beispielsweise der Brechungsindex einer Teilschicht oder/und des aufwachsenden Dünnschichtsystems erfasst werden. Der erfasste Wert wird mit einem Sollwert verglichen und daraus ein Stellsignal für das Mischverhältnis der Reaktivgase in der Vakuumarbeitskammer abgeleitet.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin eine Einrichtung zum Messen einer charakteristischen Größe des Magnetron-Zerstäubungsprozesses. Als charakteristische Größe des Magnetron-Zerstäubungsprozesses kann beispielsweise die Intensität einer oder mehrerer Emissionslinien des Entladungsplasmas dienen. Auch elektrische Größen der Gasentladung, wie etwa die Entladungsspannung bzw. die Entladungsimpedanz oder eine Schichtmessgröße sind je nach der chemischen Zusammensetzung der aufzubringenden Schichten zum Charakterisieren des Magnetron-Zerstäubungsprozesses geeignet. Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet weiterhin stets eine Regelstrecke, die einen aktuell erfassten Istwert dieser charakteristischen Größe mit einem Sollwert vergleicht und damit ein Stellsignal für die Gasmengen, die durch die zweite Gaseinlassvorrichtung strömen, ableitet, ohne dabei das Mischverhältnis der Reaktivgase in der Vakuumarbeitskammer zu verändern. Mit dieser Regelstrecke ist es möglich einen Arbeitspunkt des Magnetron-Zerstäubungsprozesses langzeitstabil aufrechtzuerhalten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist sowohl ein sprunghafter Übergang von einer Teilschicht des Schichtsystems zur darüberliegenden Teilschicht als auch ein stetiger Über gang, ein so genannter Gradient, realisierbar. Voraussetzung dafür ist, dass die Gaseinlass- und Verteilungssysteme so gestaltet werden, dass diese ein Gasvolumen von nur einigen Millilitern, also ein geringes „Totvolumen" aufweisen. Vorteilhaft ist es, die direkte Messung mindestens einer optischen Schichteigenschaft und die veränderliche Zusammensetzung des reaktiven Mischgases oder der mindestens zwei Reaktivgasströme in einem Regelkreis zu behandeln, um den Prozess zu monitorieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbringen des Dünnschichtsystems umfasst ferner an sich bekannte Einrichtungen zum Energieeinspeisen in die Magnetron-Zerstäubungsquelle, zur Vakuumerzeugung und Vakuummessung, zum Steuern weiterer Prozessgrößen und zum Verarbeiten der Ergebnisse des direkten optischen Messens von Schichteigenschaften.

Es ist erfindungsgemäß besonders zweckmäßig, dass eine Zerstäubungseinheit mindestens ein Target aus Silizium enthält, welches vorteilhafterweise zum Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit dotiert ist, und dass Stickstoff und Sauerstoff als Reaktivgase eingelassen werden, während das Trägergas Argon ist. Damit lassen sich außerordentlich leistungsfähige optische Schichtsysteme aus den Materialien Siliziumnitrid und Siliziumoxid bzw. aus Siliziumoxynitrid unterschiedlicher Zusammensetzung herstellen. Es kann aber auch zweckmäßig sein, ein Target oder mehrere Targets aus Aluminium in der Beschichtungseinrichtung zu verwenden, um Oxide und Nitride des Aluminiums zu erzeugen. Mehrere Targets sind z.B. zweckmäßig, wenn eine so genannte Doppelring-Magnetronquelle verwendet wird, um auf großflächigen Substraten homogene Schichtdicken abzuscheiden.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist derart gestaltet, dass ein Substrat oder eine Substrathalterung mindestens in der Beschichtungsposition um eine senkrecht zur Substratfläche stehende Achse rotiert. Die Rotationsachse kann dabei zentrisch oder exzentrisch zum Target-Mittelpunkt liegen. Letztere Rotationsform ist vor allem bei relativ großen Substraten eine bevorzugte Ausgestaltung mit dem Ziel, eine hohe Schichtgleichmäßigkeit zu realisieren.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Magnetronsputterquelle einschließlich des Targets zum Durchführen einer optischen Messung eine Durchtrittsöffnung für den optischen Strahlengang auf. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Strahldurchtrittsöffnung zum direkten Messen der Transmission und/oder der Reflexion mittig angeordnet ist, d.h. das Zentrum der Magnetronsputterquelle in Richtung Substratnormale durchstößt.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, bei welcher zwei Reaktivgase als Mischgas in eine Vakuumarbeitskammer einlassbar sind,
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, bei welcher zwei Reaktivgase separat in eine Vakuumarbeitskammer einlassbar sind.
Mittels Magnetronzerstäuben soll auf kleinformatigen Glassubstraten ein Dünnschichtsystem aufgetragen werden. Wenngleich bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung für die Art der komplexen Schichtfunktion eines Dünnschichtsystems, für das Schichtdesign, die Art der Substrate und die Zahl der Schichten praktisch keine Beschränkungen bestehen, beziehen sich die gewählten Ausführungsbeispiele auf das Herstellen so genannter Schmalbandfilter, die bei einer vorgegebenen Wellenlänge, z.B. einer bestimmten Laserwellenlänge, eine sehr hohe Reflexion und für den übrigen Wellenlängenbereich eine hohe Transmission aufweisen. Dazu wurde ein Schichtsystem designed, das 120 periodische Wechsel des Brechungsindexes mit sinusförmigem Übergang von der Brechzahl 1,60 zur Brechzahl 1,85 umfasst. Derartige Schmalbandfilter werden auch als Rugatefilter bezeichnet.
1 zeigt als schematische Darstellung eine Vorrichtung 100, die zum Abscheiden des erwünschten Dünnschichtsystems auf den Glassubstraten geeignet und durch einen technisch einfachen Aufbau und geringe Investitionskosten charakterisiert ist.
Die nicht dargestellten Glassubstrate werden auf einem rotierenden Substrathalter 101 positioniert. Eine in einer Vakuumschleuse angeordnete Transporteinrichtung 102 zum Einbringen des bestückten Substrathalters 101 in eine Vakuumarbeitskammer 103 vor der Beschichtung bzw. zum Ausbringen desselben nach der Beschichtung ist geeignet für das Durchführen dieser Prozessschritte, ohne dass das Vakuum in der Vakuumarbeitskammer 103 unterbrochen werden muss. Die Vakuumarbeitskammer 103 ist über einen Anschluss 104 mit einer nicht dargestellten Vakuumerzeugungseinrichtung verbunden. Vakuumarbeitskammer 103 enthält weiterhin eine Magnetron-Zerstäubungseinrichtung 105, die hier im Wesentlichen aus einer Magnetron-Sputterquelle 106 und einem Plasmabegrenzungsschirm 107 besteht.
Die Magnetron-Sputterquelle 106 umfasst ein Target 108 aus Bor-dotiertem Silizium. Eine Gaseinlassvorrichtung 109, welche die separaten Stränge 109a und 109b sowie eine Zu leitung 109c umfasst, ermöglicht den separat steuerbaren Einlass zweier Reaktivgase, die hier im Ausführungsbeispiel reiner Sauerstoff und reiner Stickstoff sind, in die Vakuumarbeitskammer 103. Weiterhin erfolgt mittels einer Gaseinlassvorrichtung 110 der gesteuerte Einlass des Trägergases Argon. Die Magnetron-Sputterquelle 106 ist mit einer Strahldurchtrittsöffnung 111 ausgestattet. Diese durchdringt die Magnetron-Sputterquelle und das Target 108 mittig in Richtung zum Substrathalter 101 und ermöglicht mit Hilfe einer Einrichtung 112 das direkte Messen der optischen Reflexion des aufwachsenden Schichtsystems. Eine Auswerteeinrichtung 113 vergleicht einen jeweils erfassten Messwert mit einem Sollwert und leitet das Ergebnis als Stellsignal an eine Stelleinrichtung 114 weiter, welche die Gasmengen der Reaktivgase, die durch die Stränge 109a, 109b und dann gemeinsam durch die Zuleitung 109c in die Vakuumarbeitskammer 103 gelangen, steuert. Somit wird mittels dieses Regelkreises das Mischverhältnis der Reaktivgase in der Vakuumarbeitskammer 103 entsprechend den Anforderungen der momentan abzuscheidenden Teilschicht des Schichtsystems eingestellt und entsprechend des vorgegebenen Sollwertes geregelt.
Eine Einrichtung 115 zum Einspeisen pulsförmiger elektrischer Energie sichert die Stromversorgung der Magnetron-Sputterquelle 106.
Mittels eines weiteren Regelkreises wird ein Arbeitspunkt des Magnetron-Zerstäubungsprozesses langzeitstabil aufrechterhalten. Dazu erfasst eine Messeinrichtung 116 einen Wert für die Entladungsspannung. Eine Auswerteeinrichtung 117 vergleicht diesen Wert mit einem Sollwert und leitet daraus ein Stellsignal für die Gesamtreaktivgasmenge ab, die in die Vakuumarbeitskammer 103 fließt. Mittels einer Stelleinrichtung 118 wird diese Gesamtreaktivgasmenge geregelt, ohne dabei das Mischverhältnis der Reaktivgase in der Vakuumarbeitskammer 103 zu verändern.
Die erreichbare Genauigkeit der in-situ-Messungen entscheidet darüber, ob durch diese Art des Regelns ein Erhöhen der Präzision der Eigenschaften des Schichtsystems möglich ist. Das abgeschiedene Dünnschichtsystem ist aus Siliziumoxynitrid mit in Wachstumsrichtung periodisch veränderlichen Gehalten von Sauerstoff und Stickstoff aufgebaut. Dabei haben die oxidreichen Teilbereiche der Schicht den kleinsten Brechungsindex.
Mit der in 1 schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 wird die Forderung nach einer sehr einfachen, kleinen und kostengünstigen Vorrichtung zum Auf bringen eines Dünnschichtsystems aus stofflich unterschiedlichen Schichten durch Zerstäuben erfüllt. Mit der Vorrichtung gemäß 1 ist es möglich das gesamte Schichtsystem, bestehend aus stofflich unterschiedlichen Teilschichten, mittels einer Magnetronquelle abzuscheiden, so dass keine Transportschritte zwischen Teilschichtbeschichtungsvorgängen erforderlich sind. Die Schichtstruktur und die stoffliche Zusammensetzung einer Teilschicht wird über die Reaktivgaszuflüsse der Gaseinlasseinrichtung 109 (Stränge 109a und 109b) in Abhängigkeit von den Messergebnissen der Einrichtung 112 gesteuert. Beide separaten Stränge 109a und 109b sowie die Zuleitung 109c weisen ein geringes Totvolumen auf und gewährleisten somit eine schnelle Reaktionsfähigkeit bei auftretenden Regelabweichungen. Die mit einer derartigen Vorrichtung durch Puls-Magnetronsputtern hergestellten komplizierten Dünnschichtsysteme weisen sehr geringe Toleranzen und sehr hohe Werte bezüglich Klimabeständigkeit und der zulässigen Leistungsdichte für einen Laserstrahl auf.
In 2 ist eine gegenüber Vorrichtung 100 alternative Ausführungsform als Vorrichtung 200 schematisch dargestellt, mit welcher die zu 1 dargelegte Beschichtungsaufgabe ebenfalls erfindungsgemäß gelöst werden kann. Zum separat steuerbaren Einlass zweier Reaktivgase in eine Vakuumkammer 203 weist jedoch Vorrichtung 200 eine Gaseinlasseinrichtung 209 auf, bei welcher für jedes Reaktivgas ein Strang 209a bzw. 209b separat bis in die Vakuumkammer 203 geführt ist. Auswerteeinrichtungen und Stelleinrichtungen beider zu 1 erläuterten Regelkreise wurden jeweils zu einer Einheit, als Auswerteeinrichtung 213 bzw. Steilleinrichtung 214, ausgebildet. Die Wirkmechanismen beider Regelkreise sind jedoch dieselben wie zu 1 erläutert.
Eine Einrichtung 212 ermöglicht das direkte Messen der optischen Reflexion des aufwachsenden Schichtsystems. Auswerteeinrichtung 213 vergleicht einen jeweils erfassten Messwert mit einem Sollwert und leitet das Ergebnis als Stellsignal an Stelleinrichtung 214 weiter, welche die Gasmengen der Reaktivgase, die durch die Stränge 209a und 209b in die Vakuumarbeitskammer 203 gelangen, steuert. Somit wird mittels dieses Regelkreises das Mischverhältnis der Reaktivgase in der Vakuumarbeitskammer 203 entsprechend den Anforderungen der momentan abzuscheidenden Teilschicht des Schichtsystems eingestellt und entsprechend des vorgegebenen Sollwertes geregelt.
Mittels des weiteren Regelkreises wird ein Arbeitspunkt des Magnetron-Zerstäubungsprozesses langzeitstabil aufrechterhalten. Dazu erfasst eine Messeinrichtung 216 einen Wert für die Entladungsspannung. Auswerteeinrichtung 213 vergleicht diesen Wert mit einem Sollwert und leitet daraus ein Stellsignal für die Gesamtreaktivgasmenge ab, die in die Vakuumarbeitskammer 203 fließt. Bei diesem Regelkreis wird mittels der Stelleinrichtung 214 diese Gesamtreaktivgasmenge geregelt, ohne dabei das Mischverhältnis der Reaktivgase in der Vakuumarbeitskammer 203 zu verändern.

Claims

Vorrichtung zum Aufbringen eines Dünnschichtsystems mit einer komplexen physikalischen Funktion entsprechend eines vorgegebenen Designs auf mindestens ein Substrat durch Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäuben, wobei das Dünnschichtsystem aus stofflich unterschiedlichen Teilschichten besteht und die Beschichtungsposition des Substrats bei Aufstäuben aller Teilschichten gleich ist, gekennzeichnet durch folgende Baugruppen: a) eine Vakuumarbeitskammer (103), in welcher eine Magnetron-Zerstäubungseinrichtung (105) mit mindestens einem Target (108) angeordnet ist; b) eine Einrichtung (102) zum Ein- und Ausbringen des Substrats in die/aus der Vakuumarbeitskammer (103); c) eine erste Gaseinlasseinrichtung (110) für ein Trägergas; d) eine zweite Gaseinlasseinrichtung (109) zum separat steuerbaren Einlass mindestens zweier unterschiedlicher Reaktivgase; e) eine Einrichtung zum zeitabhängigen Einstellen des Reaktivgasmischverhältnisses in der Vakuumarbeitskammer entsprechend des vorgegebenen Designs des Dünnschichtsystems; f) eine Messeinrichtung (116) zum Erfassen eines Wertes mindestens einer charakteristischen Größe des Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäubens; g) eine Regeleinrichtung (117; 118), mittels der der erfasste Wert mit einem ersten Sollwert vergleichbar ist und daraus ein erstes Stellsignal für die Gasmengen der Reaktivgase, die in die Vakuumarbeitskammer (103) strömen, ableitbar ist, wobei das Reaktivgasmischverhältnis in der Vakuumarbeitskammer (3) mittels der Regeleinrichtung (117; 118) nicht veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum zeitabhängigen Einstellen des Reaktivgasmischverhältnisses eine vorgegebene Zeitfunktion umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitfunktion experimentell ermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum zeitabhängigen Einstellen des Reaktivgasmischverhältnisses eine Regelstrecke (112; 113; 114) umfasst, mittels der mindestens ein der physikalischen Funktion einer Teilschicht oder/und des aufwachsenden Dünnschichtsystems äquivalenter Wert erfassbar und mit einem zweiten Sollwert vergleichbar ist; woraus ein zweites Stellsignal für das Mischverhältnis der Reaktivgase in der Vakuumarbeitskammer ableitbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Funktion eine optische Funktion, vorzugsweise die wellenlängenabhängige Veränderung der Transmission und/oder der Reflexion des Dünnschichtsystems ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der zweiten Gaseinlasseinrichtung (209) die zwei Reaktivgase separat in die Vakuumarbeitskammer einlassbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der zweiten Gaseinlasseinrichtung (109) die zwei Reaktivgase als Mischgas in die Vakuumarbeitskammer einlassbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gaseinlasseinrichtung (109; 209) ein geringes Totvolumen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (108) ein Siliziumtarget mit Dotierungselementen, vorzugsweise Bor, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivgase Stickstoff und Sauerstoff sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas Argon ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat oder eine Substrathalterung (101) mindestens in der Beschichtungsposition einachsig um eine senkrecht zur Substratfläche stehende Achse rotierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetronzerstäubungs-Einrichtung (105) eine vorzugsweise mittig positionierte Strahldurchtrittsöffnung (111) zum direkten Messen der Transmission und/oder der Reflexion einer Teilschicht und/oder des aufwachsenden Dünnschichtsystems aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilschicht des Dünnschichtsystems mit homogener Schichtstruktur ausbildbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilschicht des Dünnschichtsystems als Gradientenschicht ausbildbar ist.
Verfahren zum Aufbringen eines Dünnschichtsystems mit einer komplexen physikalischen Funktion entsprechend eines vorgegebenen Designs auf mindestens ein Substrat mittels einer Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäubungseinrichtung mit mindestens einem Target (108), wobei das Dünnschichtsystem aus stofflich unterschiedlichen Teilschichten besteht und die Beschichtungsposition des Substrats bei Aufstäuben aller Teilschichten innerhalb einer Vakuumarbeitskammer (103) nicht verändert wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Einlassen eines Trägergases mittels einer Gaseinlasseinrichtung (110); b) separat steuerbares Einlassen mindestens zweier unterschiedlicher Reaktivgase mittels einer zweiten Gaseinlasseinrichtung (109); c) zeitabhängiges Einstellen des Reaktivgasmischverhältnisses in der Vakuumarbeitskammer entsprechend des vorgegebenen Designs des Dünnschichtsystems mittels einer Einrichtung; d) Erfassen eines Wertes mindestens einer charakteristischen Größe des Mittelfrequenz-Puls-Magnetron-Zerstäubens mittels einer Messeinrichtung (116); e) Vergleichen des erfassten Wertes mit einem ersten Sollwert mittels einer Auswerteeinrichtung (117) und Ableiten eines ersten Stellsignals für die Gasmengen der Reaktivgase, die in die Vakuumarbeitskammer (103) strömen, wobei das Reaktivgasmischverhältnis in der Vakuumarbeitskammer (103) nicht verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige Einstellen des Reaktivgasmischverhältnisses mittels einer vorgegebenen Zeitfunktion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitfunktion experimentell ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige Einstellen des Reaktivgasmischverhältnisses mittels einer Regelstrecke (112; 113; 114) erfolgt, wobei mindestens ein der physikalischen Funktion einer Teilschicht oder/und des aufwachsenden Dünnschichtsystems äquivalenter Wert erfasst und mit einem zweiten Sollwert verglichen wird; wobei ein zweites Stellsignal für das Mischverhältnis der Reaktivgase in der Vakuumarbeitskammer abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der zweiten Gaseinlasseinrichtung (209) die zwei Reaktivgase separat in die Vakuumarbeitskammer eingelassen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der zweiten Gaseinlasseinrichtung (109) die zwei Reaktivgase als Mischgas in die Vakuumarbeitskammer eingelassen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Gaseinlasseinrichtung (109; 209) eine Einrichtung mit geringem Totvolumen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Target (108) ein Siliziumtarget mit Dotierungselementen, vorzugsweise Bor, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktivgase Stickstoff und Sauerstoff verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägergas Argon verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat oder eine Substrathalterung (101) mindestens in der Beschichtungsposition einachsig um eine senkrecht zur Substratfläche stehende Achse rotiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilschicht des Dünnschichtsystems mit homogener Schichtstruktur ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilschicht des Dünnschichtsystems als Gradientenschicht ausgebildet wird.