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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Schichtwachstums während des Beschichtens einer Oberfläche eines Substrates. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates.
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Beschichtungen von Oberflächen von Substraten mit besonderen Schichtmaterialien werden heute in vielen unterschiedlichen Anwendungen auf unterschiedlichsten Gebieten der Technik verwendet, um die Eigenschaften, beispielsweise die optischen Eigenschaften der Oberfläche in gewünschtem Maße zu verändern. Um dies zu erreichen, müssen insbesondere die aufgebrachten Schichten sehr homogen und möglichst ohne Defekte und Fehler aufgebracht werden und zudem möglichst exakt eine vorbestimmte Dicke aufweisen.
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Insbesondere bei der Herstellung dispersiver Spiegel, die beispielsweise bei der Arbeit mit kurzen Laserpulsen verwendet werden, werden eine große Anzahl, beispielsweise vierzig bis fünfzig, Schichtpaare aus unterschiedlichen Materialien aufeinander aufgebracht. Dispersive Spiegel werden dabei häufig für den jeweiligen Anwendungszweck entworfen, so dass sie genau die für den jeweiligen Verwendungszweck benötigten Eigenschaften aufweisen. Dazu werden die benötigten Schichtdicken der unterschiedlichen Materialien vorher berechnet und müssen während der Fertigung möglichst exakt eingehalten werden. Dabei werden, wie beispielsweise in der
EP 1 536 529 B1 dargelegt ist, die Schichtdicken bis in den Subnanometer-Bereich genau berechnet, um die gewünschten Eigenschaften des dispersiven Spiegels zu erreichen.
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Insbesondere bei der Herstellung dispersiver Spiegel, jedoch auch in vielen anderen Anwendungsgebieten von dünnen Beschichtungen auf den Oberflächen von Substraten ist es folglich wichtig, die gewünschten Schichtdicken möglichst genau einzuhalten, um die gewünschten Eigenschaften der Oberfläche zu erreichen.
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Um dies zu erreichen, sind aus dem Stand der Technik eine Reihe von Verfahren bekannt.
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Es ist beispielsweise möglich, die während der Beschichtung auf der Oberfläche des Substrates abgelagerte und deponierte Masse mit Hilfe eines Schwingquarzes zu verfolgen. Aufgrund der insbesondere bei dispersiven Spiegeln benötigten sehr geringen Schichtdicken und der damit verbundenen sehr geringen deponierten Masse ist diese Methode in ihrer Genauigkeit begrenzt. Eine weitere Möglichkeit ist die Änderung des spektralen Transmissionsverlaufs der aufgebrachten Schicht während des Beschichtungsvorganges zu betrachten. Auch dies ist aufgrund der dünnen aufzubringenden Schichten jedoch nur in begrenztem Umfang möglich. Aus den Aufsätzen „In-situ broadband monitoring of heterogeneous optical coatings‟, in Thin Solid Films, Vol. 502, S. 153 - 157 von Wilbrandt et al. und „Synthesis and manufacturing the mirrors for ultrafast optics‟ in Advances in Optical Thin Films II, Proc. of SPIE Vol. 5963, 59631P, (2005) von Pervak et al. sowie aus dem Aufsatz „Substantial progress in optical monitoring by intermittent measurement technique‟ in Advances in Optical Thin Films II, Proc. of SPIE Vol. 5963, 59630D, (2005) von Zoeller et al. sind Verfahren zur Herstellung von dispersiven Spiegeln bekannt, bei denen die Schichtdicke der aufgebrachten Schichten durch eine in-situ-Messung der Transmission bestimmt wird. Im Artikel „Group delay dispersion measurement of a dispersive mirror by spectral interferometry: comparision of different signal processing algorithms‟, in APPLIED OPTICS, Vol. 50, Nr. 9, Seite C239 - C245 von Luo et al. wird stattdessen eine Kombination aus einer Bestimmung der abgelagerten Masse mit Hilfe eines Schwingquarzes und einer Messung der Dauer der Bedampfung des Substrates verwendet.
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In dem Artikel „Spectral-phase interference method for detecting biochemical reactions on a surface‟, Quantum Electronics 30 (12), S. 1099-1104 (2000) geht es darum, biologische Moleküle zu detektieren, die an einer vorher präparierten Glasplatte anhaften.
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In den Aufsätzen „Properties of chirped mirrors manufactured by plasma ion assisted electron beam evaporation‟, in Advances in Optical Thin Films II, Proc. of SPIE, Vol. 5963, 59631 N, (2005) von Bischoff et al. wird hingegen beschrieben, dass nach der Fertigstellung der aufzubringenden Schicht die Gruppenverzögerung bzw. eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion gemessen werden. Wie eine derartige Messung durchzuführen ist wird beispielsweise im Artikel „Dispersion measurements with white-light interferometry‟ in J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 13, No. 6, Seite 1120 - 1129 von Diddams und Diels beschrieben. Im Artikel „Innovative production of thin film laser components‟ in Advances in Optical Thin Film II, Proc. of SPIE Vol. 5963, 596319, (2005) von Scherer et al. wird beschrieben, dass der Aufbau von dispersiven Spiegeln in-situ nicht in zufriedenstellender Weise überwacht werden kann.
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Bei der Herstellung komplizierter Schichtstrukturen, deren Schichtdicken für jede der Schichten möglichst genau eingehalten werden müssen, ist es nicht ausreichend, erst nach dem Beschichten die exakten Schichtdicken zu bestimmen, da dies lediglich eine Kontrolle des Beschichtungsvorganges darstellt, jedoch zur Steuerung der Beschichtung nicht verwendet werden kann. So ist es nicht möglich, die Schichtdicken bereits aufgebrachter Schichten nachträglich zu ändern, um sie dem gewünschten Dickenverlauf anzupassen. Methoden, die an der bereits fertigen Schichtstruktur die Schichtdicken bestimmen, sind folglich für diesen Einsatzzweck gänzlich ungeeignet.
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In den letzten Jahren hat sich die so genannte optische Kohärenztomographie (OCT) als ein Verfahren etabliert, mit dem Informationen aus unterschiedlichen Tiefen eines Materials extrahiert werden können. Dies ist beispielsweise in der Medizintechnik von großem Interesse, da Informationen über Materialien und Strukturen in unterschiedlichen Tiefen, beispielsweise unter der menschlichen Haut, extrahiert werden können. Bei der optischen Kohärenztomographie wird ein Interferenzsignal aufgenommen, in dem zwei Teilstrahlen einer elektromagnetischen Strahlung in einem Interferometer zur Interferenz gebracht werden. Einer der beiden Teilstrahlen wird dabei an dem zu untersuchenden Objekt reflektiert. Dabei wird elektromagnetische Strahlung einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen, beispielsweise von einer Weißlichtquelle kommend, verwendet. In dem so ermittelten Interferogramm befindet sich die Tiefeninformation, die durch geeignete Bearbeitung extrahiert werden kann. Damit sind Einblicke auch in tiefere Schichten eines Schichtsystems oder eines organischen Systems möglich, ohne dass eine Zerstörung stattfindet. Mittels der OCT-Technologie ist es möglich, mehrere Hundert µm tief in ein Material einzudringen und Informationen über dort vorliegende Schichtstrukturen oder ähnliche dreidimensionale Strukturen zu erlangen. Eine Vorrichtung zum Durchführen einer optischen Kohärenztomographie ist beispielsweise in der
US 2011/0216325 A1 beschrieben. Zum Überwachen des Beschichtungsvorganges, insbesondere für dispersive Spiegel ist dieses Verfahren jedoch nur begrenzt geeignet. Die in diesem Fall zu detektierenden und aufzulösenden Schichtstrukturen sind in der Regel wenige 10 nm dick und müssen bis auf Bruchteile von nm exakt aufgelöst werden. Dies ist durch die optische Kohärenztomographie im herkömmlichen Sinne nur in begrenztem Umfang möglich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen eines Schichtwachstums während des Beschichtens einer Oberfläche eines Substrates vorzuschlagen, das eine genaue, schnelle und zuverlässige Bestimmung der Qualität und/oder des Grades der Beschichtung erlaubt, so dass die so ermittelten Größen zur Steuerung des Beschichtungsprozesses herangezogen werden können. Zudem soll eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens vorgeschlagen werden.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren, das die folgenden Schritte aufweist:
- a) Durchführen von Interferenzmessungen,
- - wobei zwei Teilstrahlen elektromagnetischer Strahlung einer Strahlungsquelle miteinander zur Interferenz gebracht werden, von denen einer an der Oberfläche reflektiert wurde und
- - elektromagnetische Strahlung mit einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen verwendet wird,
- b) Ermitteln einer spektralen Phase aus den Interferenzmessungen und
- c) Berechnen von wenigstens einer Kontrollgröße, die eine Aussage über den Grad und/oder die Qualität des Schichtwachstums aus der spektralen Phase erlaubt.
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Dieses Verfahren wird folglich direkt während des Beschichtungsprozesses, also während Material auf dem Substrat abgeschieden oder aufgebracht wird, durchgeführt. Es handelt sich folglich um eine in-situ-Messung, die daher gut geeignet ist, um den Fortschritt des Schichtwachstums zu überwachen und gegebenenfalls Parameter des Schichtwachstums anzupassen. Dabei hat das Verfahren den großen Vorteil, dass aus der spektralen Phase Kontrollgrößen berechnet werden können, die eine deutlich detailliertere und genauere Aussage über den Grad des Schichtwachstums erlauben, als dies beispielsweise durch die reine Amplitudenauswertung der optischen Kohärenztomographie möglich wäre.
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Unter dem Durchführen von Interferenzmessungen wird jegliche Bestimmung einer Verteilung der Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung am Ausgang eines Interferometers verstanden. Die Verteilung kann dabei räumlich, zeitlich und/oder spektral aufgenommen werden. Insbesondere wird unter dem Durchführen von Interferenzmessungen das Aufnehmen eines Interferenzspektrums verstanden.
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Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Kontrollgröße eine Gruppenverzögerung ist, die durch einmaliges Ableiten der spektralen Phase nach der optischen Frequenz berechnet wird. Vorteilhaft ist ebenfalls, wenn die Kontrollgröße zusätzlich oder alternativ dazu eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion ist, die durch zweimaliges Ableiten der spektralen Phase nach der optischen Frequenz berechnet wird.
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Insbesondere bei der Herstellung von dispersiven Spiegeln sind diese beiden Größen, also die Gruppenverzögerung und die Gruppengeschwindigkeitsdispersion, die entscheidenden Eigenschaften des Schichtaufbaus. Der Schichtaufbau eines dispersiven Spiegels ist genau so entworfen und berechnet worden, um eine bestimmte Gruppengeschwindigkeitsdispersion oder Gruppenverzögerung zu erreichen. Dadurch, dass diese Werte in-situ aus der spektralen Phase des Interferenzspektrums errechnet werden können, können diese Werte direkt mit diesen entscheidenden Größen eines dispersiven Spiegels verglichen werden. Zudem ändern sie sich bereits auch bei nur teilweiser und unvollständiger Beschichtung, so dass auch eine teilweise Überdeckung des Substrates mit der aufgebrachten Schicht detektiert werden kann.
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Im Verfahrensschritt a) wird beispielsweise ein Interferenzspektrum aufgenommen, wobei elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Frequenz verwendet wird. Es handelt sich eigentlich um das Aufnehmen vieler Teilinterferenzspektren, bei denen jeweils elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Frequenz verwendet wird. Durch die Kombination dieser Teilinterferenzspektren mit elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Frequenz lässt sich das vollständige Interferenzspektrum ermitteln, aus dem anschließend die spektrale Phase bestimmbar ist.
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Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Strahlungsquelle eine Breitbandstrahlungsquelle ist, die elektromagnetische Strahlung mit einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen gleichzeitig aussendet. Dies kann beispielsweise eine Superlumineszenz-Diode, ein modengekoppelter Laser, eine Halogenlampe oder eine glasfaserbasierte Weißlichtquelle sein. Die von einer derartigen Breitbandstrahlungsquelle ausgesandte elektromagnetische Strahlung weist folglich nicht eine einzelne, sondern eine Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen auf. Daher ist es möglich, eine Vielzahl der Teilinterferenzspektren gleichzeitig aufzunehmen. Daher ist der apparative Aufbau für eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens besonders einfach und lässt sich auch mit kommerziell verfügbaren Beschichtungskammern leicht realisieren.
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Alternativ dazu kann auch eine durchstimmbare Strahlungsquelle verwendet werden, die nur elektromagnetische Strahlung einer schmalen Bandbreite aussendet. Diese ist jedoch über einen gewissen Frequenzbereich durchstimmbar, so dass die unterschiedlichen Teilinterferenzspektren nacheinander aufgenommen werden können. Der apparative Aufwand für diese Lösung ist jedoch größer, da zum einen eine durchstimmbare Strahlungsquelle und zum anderen ein schneller Fotodetektor verwendet werden muss, der die unterschiedlichen Teilinterferenzspektren, detektiert und zur Weiterverarbeitung weiterleitet. Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung liegt jedoch in der größeren Geschwindigkeit und dem besseren Signal-Rausch-Verhältnis.
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Zudem entfällt bei dieser Ausgestaltung die Notwendigkeit, ein Spektrometer zu verwenden, so dass der apparative Aufwand weiter reduziert wird.
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Das Ermitteln der spektralen Phase weist vorteilhafterweise folgende Schritte auf:
- b1) Fourier-Transformieren eines aus den Intereferenzmessungen erhaltenen Interferenzspektrums von einem Frequenz-Raum in einen Zeit-Raum, um ein transformiertes Interferenzspektrum zu erhalten,
- b2) Filtern des transformierten Interferenzspektrums durch Multiplizieren mit einer Filterfunktion,
- b3) Rücktransformieren des Interferenzspektrums aus dem Zeit-Raum in den Frequenz-Raum,
- b4) Bestimmen der spektralen Phase.
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Nach dem Rücktransformieren des Interferenzspektrums in den Frequenz-Raum durch eine zweite Fourier-Transformation sind die spektralen Feldamplituden, die auf diese Weise ermittelt werden, komplexwertig. Daraus lässt sich einfach die spektrale Phase bestimmen, aus der alle weiteren Größen berechnet werden können. Durch das Multiplizieren mit einer Filterfunktion ist es möglich, insbesondere die höheren Ordnung der Interferenz und die höheren Harmonischen herauszufiltern und so das Spektrum zu bereinigen.
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Nach dem Multiplizieren kann das gefilterte transformierte Interferenzspektrum auf einen Zeitnullpunkt verschoben werden. Dazu wird beispielsweise eine neue Zeitskala eingeführt, die um ein bestimmtes Zeitintervall gegenüber der eigentlichen Zeitskala verschoben ist. Auf diese Weise wird das Ergebnis der später durchzuführenden Rücktransformation aus dem Zeitraum in den Frequenzraum beeinflusst.
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Vorteilhafterweise wird die Filterfunktion an die aufzubringende Beschichtung und/oder das Substrat angepasst. So kann es für unterschiedliche Substrate und/oder unterschiedliche Beschichtungen vorteilhaft sein, unterschiedliche Formen von Filterfunktionen zu verwenden. Neben dem einfachen Rechteckfilter, bei dem einfach ein Teil aus dem transformierten Interferenzspektrum herausgefiltert wird, sind auch komplizierter geformte Filterfunktionen, beispielsweise Supergauss-Funktionen, vorstellbar, bei denen unterschiedliche Anteile des transformierten Interferenzspektrums unterschiedlich gewichtet verwendet werden. Die optimale Form der verwendeten Filterfunktion hängt dabei stark von der Art und der Schichtdicke des aufzubringenden Schichtmaterials sowie dem darunter liegenden Substrat ab.
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Erfindungsgemäß wird das Verfahren durchgeführt, während sich das Substrat bewegt. Das Substrat befindet sich beim Beschichtungsprozess in der Beschichtungskammer, in der es an einem Substrathalter befestigt ist und sich vorteilhafterweise dreht, um eine besonders gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten. Um hier tatsächlich eine in-situ-Messung durchführen zu können und das eigentliche Beschichtungsverfahren nicht durch Messpausen unterbrechen zu müssen, kann das Verfahren durchgeführt werden, während das Substrat weiterhin in der Beschichtungskammer bewegt wird. Um das Interferenzspektrum aufnehmen zu können, muss lediglich ein kurzer Puls der elektromagnetischen Strahlung in zwei Teilstrahlen zerlegt werden, von denen einer an der zu vermessenden Oberfläche reflektiert wird. Die Pulsdauer ist dabei so gering, dass die Bewegung des Substrats und der Beschichtung in dieser kurzen Zeit, die die Oberfläche von der elektromagnetischen Strahlung beleuchtet wird, nicht wahrgenommen wird. Die Messzeiten befinden sich im Sub-Millisekundenbereich, so dass die Bewegung des Substrates, die in einer Ebene senkrecht zur Einstrahlebene des elektromagnetischen Teilstrahls liegt, keine Rolle spielt. Zusätzlich kann die Messung mit der Bewegung des Substrates, die vorzugsweise eine Drehung ist, synchronisiert durchgeführt werden.
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Auch eine gegebenenfalls vorliegende Taumelbewegung, die von dem Substrat aufgrund beispielsweise einer nicht perfekten Befestigung am Substrathalter durchgeführt wird, führt lediglich dazu, dass nicht die gesamte elektromagnetische Strahlung, die auf die zu vermessende Oberfläche trifft, zurückreflektiert und vom Detektor aufgefangen werden kann. Ein Teil der elektromagnetischen Strahlung geht verloren, wodurch die Amplitude des Spektrums reduziert wird. Da bei dem vorliegenden Verfahren, anders als bei der optischen Kohärenztomographie, die Amplitude des Spektrums jedoch lediglich von untergeordneter Bedeutung ist, ist dieser Verlust elektromagnetischer Strahlung nicht gravierend.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates umfasst eine Beschichtungskammer, ein Interferometer, eingerichtet um zwei Teilstrahlen elektromagnetischer Strahlung miteinander zur Interferenz zu bringen, von denen einer an der Oberfläche reflektiert wurde, eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung mit verschiedenen Frequenzen, Mittel zum Bewegen des Substrates und eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens. Vorteilhafterweise ist die elektrische Steuerung zudem eingerichtet, Betriebsparameter in Abhängigkeit der berechneten Kontrollgröße zu steuern. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die berechnete Kontrollgröße die Gruppenverzögerung und/oder die Gruppengeschwindigkeitsdispersion ist. Wie bereits dargelegt, wird ein dispersiver Spiegel für eine einzelne Anwendung so entworfen, dass er eine gewünschte Gruppengeschwindigkeitsdispersion aufweist. Dadurch, dass diese Größe durch das hier beschriebene Verfahren mit der hier beschriebenen Vorrichtung schnell, einfach und zuverlässig direkt aus dem aufgenommenen Interferenzspektrum bestimmt werden kann, lässt sich eine besonders direkte Steuerung des Beschichtungsprozesses erreichen. Es können folglich die aus den spektralen Phasen berechneten Kontrollgrößen direkt mit den theoretisch berechneten Sollwerten verglichen und so das Beschichtungsverfahren einfach gesteuert werden. Ein möglicher Betriebsparameter, der auf diese Weise gesteuert werden kann, ist beispielsweise eine Beschichtungsrate, mit der die Oberfläche des Substrates beschichtet wird.
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Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt
- 1 - eine exemplarische Darstellung eines Interferenzspektrums,
- 2 - eine beispielhafte Darstellung eines transformierten Interferenzspektrums mit anzuwendender Filterfunktion,
- 3 - die exemplarische Darstellung spektraler Phasen,
- 4 - aus den spektralen Phasen aus 3 errechnete Gruppenverzögerungen
- 5 - aus den Gruppenverzögerungen aus 4 errechnete Gruppengeschwindigkeitsdispersionen,
- 6 - den schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
- 7 - den schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein Interferenzspektrum 2, wie es in einem ersten Verfahrensschritt bei einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgenommen wird. Aufgetragen ist dabei eine spektrale Leistungsdichte I über einer Wellenlänge λ. Über die Dispersionsrelation kann die Wellenlänge λ einfach in eine Frequenz umgerechnet werden. Das in 1 gezeigte Interferenzspektrum 2 ist an einem einzigen Ort aufgenommen worden und zeigt, dass es abhängig von der Wellenlänge λ der verwendeten elektromagnetischen Strahlung aufgrund der unterschiedlichen Interferenzbedingungen zu unterschiedlichen Intensitäten am Detektionselement kommt.
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Nachdem das Interferenzspektrum 2 aus einer Funktion, die abhängig von der Wellenlänge λ ist, in eine Funktion überführt wurde, die von der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung abhängig ist, kann diese Funktion durch eine erste Fourier-Transformation in den Zeit-Raum überführt werden. Dies ist in 2 dargestellt. Man erkennt ein transformiertes Interferenzspektrum 4, wobei nun auf einer logarithmischen Skala wiederum die Intensität I über der Zeit t aufgetragen ist. Man erkennt, dass es neben einem Peak bei t = 0 am ganz linken Ende des in 2 gezeigten Diagrammes weitere hervorstechende Strukturen 6 gibt, von denen eine durch eine Filterfunktion 8 herausgegriffen wird. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um die erste Struktur 6, die am schärfsten und stärksten ausgebildet ist. Durch das Herausfiltern dieser Struktur 6 durch die Filterfunktion 8 werden höhere Harmonische und Interferenzen höherer Ordnung eliminiert. Die in 2 gezeigte Filterfunktion 8 ist stark an einen Rechteckfilter angenähert. Man beachte dabei nochmals die logarithmische Darstellung entlang der Y-Achse. Hier sind jedoch auch andere Formen von Filterfunktionen, bei denen unterschiedliche Anteile des transformierten Interferenzspektrums 4 mit unterschiedlichen Gewichten berücksichtigt werden, möglich.
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Nachdem das transformierte Interferenzspektrum 4 mit der Filterfunktion 8 multipliziert wurde, und somit nur die erste Struktur 6 im transformierten Interferenzspektrum 4 verbleibt, wird vorzugsweise nach dem Verschieben zum Zeitnullpunkt eine erneute Fourier-Transformation durchgeführt, um das Interferenzspektrum wieder in den Frequenz-Raum zu überführen. Dabei entstehen komplexe spektrale Feldamplituden, aus denen nun einfach die spektrale Phase Φ ermittelt werden kann. Diese ist in 3 dargestellt und als Funktion der Wellenlänge λ aufgetragen. In der Mitte ist die Φ=0-Linie durch eine gestrichelte Linie 10 aufgezeigt. Unterschiedliche Interferenzspektren liefern unterschiedliche spektrale Phasen. Durch Vergleich der spektralen Phase mit einem theoretisch bestimmten gewünschten Phasenverlauf kann ermittelt werden, wie weit die auf ein Substrat aufgebrachte Beschichtung mit der gewünschten Beschichtung übereinstimmt. Während ein im oberen Bereich der 3 dargestellter erster Phasenverlauf 12 von einem im unteren Bereich dargestellten vorab theoretisch bestimmten Sollphasenverlauf 14 noch relativ weit entfernt ist, ist ein zweiter Phasenverlauf 16 schon in relativ guter Übereinstimmung mit dem Sollphasenverlauf 14. Die beiden Phasenverläufe 12, 14 entsprechen dabei beispielsweise Interferenzspektren, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Beschichtung aufgenommen wurden.
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4 zeigt ein Diagramm, in dem eine Gruppenverzögerung GD über der Wellenlänge λ der verwendeten elektromagnetischen Strahlung aufgetragen ist. Man erhält die Gruppenverzögerung GD durch einmaliges Ableiten des Phasenverlaufs nach der optischen Frequenz. 4 zeigt eine erste Gruppenverzögerung 18, die aus dem ersten Phasenverlauf 12 errechnet wurde. Zudem ist eine Sollgruppenverzögerung 20 sowie eine zweite Gruppenverzögerung 22 dargestellt, die aus dem Sollphasenverlauf 14 bzw. dem zweiten Phasenverlauf 16 errechnet wurde. Auch hier erkennt man, dass die Beschichtung, die zur ersten Gruppenverzögerung 18 geführt hat, von der Sollbeschichtung, die die Sollgruppenverzögerung 20 aufweist, noch sehr weit entfernt ist. Die zweite Beschichtung, die zur zweiten Gruppenverzögerung 22 führt, ist bereits deutlich näher an der Sollbeschichtung, weist jedoch insbesondere bei großen Wellenlängen ebenfalls deutliche Abweichungen von der Sollgruppenverzögerung 20 auf. Ein Vergleich mit 3 zeigt, dass die Abweichungen bei großen Wellenlängen λ in der Gruppenverzögerung GD deutlicher zu Tage treten.
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Dies wird noch deutlicher in 5, in der eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion GDD als Funktion der Wellenlänge λ aufgetragen ist. Man erhält die Gruppengeschwindigkeitsdispersion GDD durch einmaliges Ableiten der Gruppenverzögerung GD nach der optischen Frequenz. Die Gruppengeschwindigkeitsdispersion GDD eignet sich daher am besten zur Steuerung des Beschichtungsprozesses.
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5 zeigt eine erste Gruppengeschwindigkeitsdispersion 24, eine Sollgruppengeschwindigkeitsdispersion 26 und eine zweite Gruppengeschwindigkeitsdispersion 28. Diese wurden aus der ersten Gruppenverzögerung 18, der Sollgruppenverzögerung 20 und der zweiten Gruppenverzögerung 22 berechnet und zeigen, wie die 3 und 4, dass die erste Beschichtung, die zur ersten Gruppengeschwindigkeitsdispersion 24 führt, noch deutlich von einer Sollbeschichtung entfernt ist.
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Der große Vorteil eines derartigen Verfahrens liegt darin, dass einerseits eine sehr genaue und schnelle Möglichkeit geschaffen wurde, den Beschichtungsprozess zu steuern, da das Verfahren während des Ablagerns von Material auf der Substratoberfläche durchgeführt werden kann. Es lässt sich also während der Beschichtung erkennen, wie weit das Schichtwachstum bereits vorangeschritten ist oder ob bestimmte Parameter der Beschichtungskammer verändert werden müssen. Zum anderen werden insbesondere die komplizierten Schichtaufbauten dispersiver Spiegel so berechnet und designed, dass sie einen bestimmten Phasenverlauf, eine vorberechnete Gruppenverzögerung oder Gruppengeschwindigkeitsdispersion aufweisen. Dadurch, dass diese Größen aus dem aufgenommenen Interferenzspektrum einfach und schnell berechnet werden können, liegt eine direkte Kontroll- und Steuerungsmöglichkeit für den Beschichtungsprozess vor.
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6 zeigt die schematische Darstellung einer Vorrichtung 30, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das von einer breitbandigen oder breitbandig abstimmbaren Lichtquelle 32 ausgesandte Licht wird in ein Interferometer eingestrahlt und an einem Strahlteiler 34 in einen ersten Teilstrahl 36 und einen zweiten Teilstrahl 38 aufgespalten. Der erste Teilstrahl durchläuft einen Brechwertkorrektor 40 und trifft anschließend auf einen Referenzspiegel 42, von dem es wieder in Richtung auf den Strahlteiler 34 reflektiert wird. Der zweite Teilstrahl 38 tritt in eine Vakuumbeschichtungskammer 44 ein, wobei er ein Vakuumfenster 46 durchläuft. Der Brechungsindex des Vakuumfensters 46 sorgt für eine leicht veränderte optische Weglänge, was durch den Brechwertkorrektor 40, der im ersten Teilstrahl 36 angeordnet ist, kompensiert wird.
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Anschließend trifft der zweite Teilstrahl 38 auf ein Substrat 48, das in einem Substrathalter 50 angeordnet ist, der sich entlang der Richtung des Pfeils 52 dreht.
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Der zweite Teilstrahl 38 wird vom Substrat 48 bzw. der auf ihm aufgebrachten Teilbeschichtung reflektiert, durchläuft wieder das Vakuumfenster 46 und trifft wieder auf den Strahlteiler 34. Beide Teilstrahlen 36, 38 werden dann einem schnellen Spektrometer 54 zugeleitet, das das Interferenzspektrum 2 aufnimmt. Das Spektrometer 54 ist mit einer elektrischen Steuerung 56 verbunden, die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
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7 zeigt die Vorrichtung 30 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Aus der Lichtquelle 32 wird das Licht über eine Abbildungsoptik 60 in eine Lichtleitfaser 62 eingekoppelt und einem Faserkoppler 64 zugeführt, der als Strahlteiler wirkt. Der erste Teilstrahl 36 wird über eine weitere Lichtleitfaser 62 und eine weitere Abbildungsoptik 60 auf den Referenzspiegel 42 geleitet und dort reflektiert. Der zweite Teilstrahl 38 wird ebenfalls über Lichtleitfasern 62 in die Vakuumbeschichtungskammer 44 geführt und trifft dort nach einer weiteren Abbildungsoptik 60 auf das Substrat 48, das im Substrathalter 50 angeordnet ist und sich entlang des Pfeils 52 dreht. Die beiden Teilstrahlen 36, 38 durchlaufen die Lichtleitfasern 62 erneut und werden wieder dem Faserkoppler 64 zugeführt und anschließend über eine weitere Lichtleitfaser 62 und eine weitere Abbildungsoptik 60 dem Spektrometer 54 zugeführt, das wie im in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel mit der elektrischen Steuerung 56 verbunden ist, die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auszuführen. Die Lichtleitfasern werden dabei gegebenenfalls über Polarisationsstellglieder 66 geführt.
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Bezugszeichenliste
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- I
- Intensität
- λ
- Wellenlänge
- t
- Zeit
- Φ
- Spektrale Phase
- GD
- Gruppenverzögerung
- GDD
- Gruppengeschwindigkeitsdispersion
- 2
- Interferenzspektrum
- 4
- Fourier-transformiertes Interferenzspektrum
- 6
- Struktur
- 8
- Filterfunktion
- 10
- Gestrichelte Linie
- 12
- Erster Phasenverlauf
- 14
- Sollphasenverlauf
- 16
- Zweiter Phasenverlauf
- 18
- Erste Gruppenverzögerung
- 20
- Sollgruppenverzögerung
- 22
- Zweite Gruppenverzögerung
- 24
- Erste Gruppengeschwindigkeitsdispersion
- 26
- Sollgruppengeschwindigkeitsdispersion
- 28
- Zweite Gruppengeschwindig-Keitsdispersion
- 30
- Vorrichtung
- 32
- Lichtquelle
- 34
- Strahlteiler
- 36
- Erster Teilstrahl
- 38
- Zweiter Teilstrahl
- 40
- Brechwertkorrektor
- 42
- Referenzspiegel
- 44
- Vakuumbeschichtungskammer
- 46
- Vakuumfenster
- 48
- Substrat
- 50
- Substrathalter
- 52
- Pfeil
- 54
- Spektrometer
- 56
- Elektrische Steuerung
- 58
- Rotationsencoder
- 60
- Abbildungsoptik
- 62
- Lichtleitfaser
- 64
- Faserkoppler
- 66
- Polarisationsstellglied
