DE19752322A1 - Verfahren und Vorrichtung für die hochautomatisierte Herstellung von Dünnfilmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ablage­ rung komplexer optischer mehrlagiger Beschichtungen auf einem Substrat.

In einer Vielzahl verschiedener Bereiche wie zum Beispiel in Tele­ kommunikation, wissenschaftlicher Instrumentierung, Optik usw. be­ steht Bedarf für komplexere optische Dünnfilmbeschichtungen, um die Anforderungen der fortgeschrittenen Anwendungen zu erfüllen. In der Vergangenheit war es aufgrund von Beschränkungen bezüglich der Gestaltungstechniken, Ablagerungseinrichtungen und Dickenüberwa­ chungsinstrumentierungen nicht immer möglich, die gewünschten Fil­ terspezifikationen zu erhalten. Jedoch erlaubten es in der letzten Zeit Fortschritte in allen diesen drei Bereichen, daß komplexere Beschich­ tungen konzipiert und hergestellt werden konnten.

Zum Beispiel konnten auf dem Gebiet der optischen Dünnfilmgestal­ tung dramatische Vebesserungen in den letzten Jahren erzielt werden bezüglich der Fähigkeit, Beschichtungen zu konzipieren ohne jegliche Ausgangsgestaltung für einen vorgegebenen Materialsatz. Tatsächlich hat der Stand der Technik bezüglich Dünnfilmgestaltungen Fortschrit­ te bis zu dem Ausmaß gemacht, daß sehr komplexe Beschichtungen aufgefunden wurden, die alles bis auf die schärfsten Filterspezifika­ tionen erfüllt haben.

Der zweite Fortschritt liegt in den energetischen Ablagerungsmetho­ den, die das Gebiet der Dünnfilmherstellung in den letzten 20 Jahren dramatisch geändert haben. Früher und in großem Maße auch noch heute wurden die meisten optischen Beschichtungen hergestellt unter Verwendung von Elektronenstrahlverdampfung oder thermischer Ver­ dampfung. Jedoch sind die durch diese Verfahren abgelagerten Mate­ rialien im allgemeinen recht porös, woraus sich Filter ergeben mit schlechter Feuchtigkeits- und Temperaturbeständigkeit, es sei denn, daß diese speziell geschützt wurden. Neuere energetische Ablage­ rungsverfahren, wie zum Beispiel die ionenunterstützte Verdampfung, reaktive Ionenplattierung und Magnetron-Bedampfung bewirken Filme, die derartige Eigenschaften aufweisen, daß hieraus Filter mit guter bis exzellenter Temperatur- und Feuchtigkeitsbeständigkeit entstehen. Vielleicht noch wichtiger ist der Umstand, daß die durch diese ener­ getischen Verfahren abgelagerten Materialien optische Konstanten aufweisen, die sehr gut reproduzierbar sind. Hierdurch wird es besser durchführbar, komplexe optische Beschichtungen auf Routine-Basis herzustellen.

Der dritte Vorteil lag in den Verfahren, die verwendet wurden, um die Filmdicke während der Ablagerung zu steuern und zu überwachen. Insbesondere wurden optische Oberwachungstechniken in den letzten 10 Jahren stark verbessert. Hochentwickelte und günstige Breitband­ monitore für den sichtbaren Bereich sind nun einfach verfügbar und Infrarotphotodiodenfelder werden immer geläufiger. Mit diesen Breit­ bandmonitoren ist es nun möglich, die Dicke der abgelagerten Schicht zu bestimmen.

In der Vergangenheit mag es für begrenzte Filtermengen nicht wirt­ schaftlich gewesen sein, geringe Mengen komplexer Dünnfilmfilter zu konzipieren und herzustellen, obwohl es einen großen Markt für sol­ che Gebrauchs- oder Prototypbeschichtungen gibt. Teilweise liegt ein Grund hierfür darin, daß es Zeit in Anspruch nimmt, eine Beschich­ tung zu konzipieren und aufgrund der Anzahl von Versuchsablage­ rungsläufen, die gewöhnlicherweise durchgeführt werden müssen, be­ vor ein Filter erfolgreich hergestellt ist. Wenn darüber hinaus das Ab­ lagerungssystem eine konstante Operatorbetätigung benötigt, damit die Beschichtung akkurat aufgetragen wird, wachsen die Kosten noch weiter an.

1991 wurde ein Projekt am National Research Council of Canada (NRCC) begonnen, um ein automatisiertes Ablagerungssystem (Automated deposition system - ADS) zu entwickeln, das routinemäßig komplexe optische Beschichtungen automatisch herstellen konnte, ohne daß hierfür während des Beschichtungsverfahrens eine Einfluß­ nahme durch einen Operator erforderlich war.

Das ursprüngliche Hochfrequenz-ADS am NRGC bestand aus einer Kryopumpenkammer mit einem rotierbaren Substrat, drei Hochfre­ quenzbedampfungszielflächen und einem optischen Breitbandmonitor, der nachfolgend näher beschrieben wird. Die Bedampfungsflächen und die Kammer wurden konzipiert und gebaut von Corona Vacuum Coaters. In dem ADS sind die Bedampfungsziele und Substrate verti­ kal angebracht. Die Bedampfungszielflächen bestehen ursprüngli­ cherweise aus Metall oder Halbleitern, so daß das System hochfre­ quenzreaktive Bedampfung für die elektrischen Schichten verwendet. Typische Ablagerungsraten für Materialien wie Nb₂O₅ und SiO₂ unter Verwendung von Hochfrequenzbedampfung bzw. -sputtern sind unge­ fähr 0,1 nm/s für eine Distanz von Bedampfungsfläche und Substrat von ungefähr 12 cm, bei einem totalen Druck von ungefähr 3 mTorr und einem Fließverhältnis von Sauerstoff zu Argon von ungefähr 1,0. Das Substrat wird durch einen Schrittschaltmotor gesteuert, der dazu verwendet werden kann, das Substrat zu den verschiedenen Bedamp­ fungszielflächenpositionen zu bewegen. Das Ablagerungssystem wur­ de gesteuert durch einen Techware Systems Controller PAL 68000 von Brooks Automation (Canada). Ein Operator kann automatisch eine Vielzahl verschiedener Sequenzen beginnen einschließlich das Aus­ pumpen der Kammer, das Starten eines Ablagerungsdurchganges oder das Belüften der Kammer.

Ein Echtzeitprozeßsteuerungsalgorithmus steuert die Filmablage­ rungsdicke genau für niedrige Ablagerungsraten, das heißt Ablage­ rungsraten der Größenordnung von 0,1 nm/s. Diese Technik erfordert einen optischen Breitbandmonitor, der dazu in der Lage ist, genaue, absolute Transmitanzmessungen über einen ausreichend weiten Spektralbereich durchzuführen. Da es außerdem schwierig ist, die Ablagerung einer Schicht in Bedampfungssystemen mit geringem Ab­ stand zwischen Bedampfungsfläche und Substrat zu überwachen, stützt sich dieses Verfahren darauf, eine oder zwei Transmittanzmes­ sungen nahe dem Ende einer Beschichtungsablagerung durchzufüh­ ren.

Der optische Monitor besteht aus einer Quarz-Halogen-Lichtquelle, einer Lichtzuführoptik und einem Breitbanddetektor. Das gerichtete Licht von der Lichtquelle durchdringt die Kammer und wird durch eine achromatische Linse gesammelt, die das Licht durch eine Blende auf eine kreisförmige Öffnung eines Faseroptikbündels fokussiert. Am an­ deren Ende des Bündels sind die Fasern derart angeordnet, daß sie einen Spalt am Eintritt eines Monochromators bilden. Das Licht wird hierauf auf ein 512-Element Hamamatsu Diodenfeld gestreut. Das Gitter wurde derart ausgewählt, daß der optische Monitor einen Spek­ tralbereich zwischen 380 und 860 nm messen konnte. Um absolute Transmittanzmessungen durchzuführen, ist es möglich, das Substrat in den optischen Monitorlichtpfad und wieder aus diesem herauszu­ bewegen. Dies ermöglicht Intensitätsmessungen mit und ohne Substrat. Diese Messungen werden nach Herausrechnen des Hinter­ grundes hierauf normalisiert, um die absolute Transmittanz des Substrats zur Verfügung zu stellen. Dieses Meßverfahren ist vollstän­ dig automatisiert.

Das letzte wesentliche Element in dem ADS-System ist ein integrier­ tes Dünnfilmprogramm, das verwendet werden kann, um zuerst kom­ plexe mehrlagige Beschichtungen zu konzipieren, basierend auf den optischen Konstanten durch das vom ADS abgelagerte Material, und kann anschließend dazu verwendet werden, die Herstellung der Be­ schichtung zu überwachen. Dieses Programm kann die aktuelle oder vorherige Schichtdicke aus der absoluten Transmittanzmessung des optischen Monitors bestimmen. Zusätzlich kann das Programm die verbleibenden Schichten in dem Mehrlagensystem zu jeder Zeit wäh­ rend der Ablagerung reoptimieren, um die gewünschten Filterspezifi­ kationen zu erhalten.

Das Programm ist in die Ablagerungssteuereinheit derart integriert, daß es keine Details über das aktuelle Beschichtungssystem wissen muß. Wenn es erforderlich ist, eine bestimmte Schicht abzulagern, ist es ausreichend, das Schichtmaterial, die gewünschte Dicke und einen Verfahrensnamen einzugeben. Die Software der Steuereinheit legt hierauf diese Information aus, um die Bedampfungszielfläche festzu­ legen, zu der das Substrat gedreht werden soll, um die Zeitdauer zu ermitteln, die das Substrat vor der Bedampfungsfläche bleiben soll, und um die Ablagerungsparameter zu ermitteln, die während der Ab­ lagerung verwendet werden sollten. Durch Trennen des Dünnfilmsteu­ eralgorithmus vom Ablagerungssystem in dieser Art und Weise ist es möglich, das Ablagerungssystem und -verfahren komplett auszutau­ schen, ohne das Dünnfilmprogramm zu beeinflussen.

Für eine vorgegebene Schicht während der Ablagerung hat der Dic­ kenprozeßsteueralgorithmus im wesentlichen drei Abschnitte:

• I. Beendigung der Schichtablagerung
• II. Festlegen der abgelagerten Schichtdicke und
• III. Reoptimieren der verbleibenden Schichtdicken.

Bei dem ADS werden die Abschnitte I und II miteinander kombiniert. Der erste Abschnitt betreffend die Beendigung einer Schichtablage­ rung kann allein auf Zeit basieren, da bei diesem System eine Sput­ terablagerung verwendet wird. Da die Ungenauigkeiten bei der Abla­ gerung typischerweise in der Größenordnung zwischen 1 und 3% lie­ gen bei einem vernünftig gesteuerten Prozeß, führt dies dazu, daß zur Vermeidung einer zu großen Schichtdicke die zuerst festgelegte Be­ dampfungsdickenfläche ungefähr 95 bis 97% der gewünschten Dicke betragen soll. Sobald diese Unterschicht abgelagert wurde, ist es nö­ tig, die aktuell abgelagerte Schichtdicke zu bestimmen gemäß Ab­ schnitt II. Wie oben beschrieben, wird dies dadurch erzielt, daß ein optischer Breitbandmonitor direkt an dem interessierenden Substrat oder an einem Meßbild eine Messung durchführt. Das Dünnfilmpro­ gramm verwendet hierauf diese Information, um die aktuell abgelager­ te Schichtdicke zu ermitteln. Wenn die Schichtdicke nicht innerhalb der festgelegten Dickentoleranz bezüglich der gewünschten Dicke ist, können die Abschnitte I und II wiederholt werden. Da die verbleibende Schichtdicke in der Regel recht gering ist, das heißt weniger als etwa 5 nm, sind Ungenauigkeiten in der Ablagerungsrate nicht sehr wichtig für die zweite Unterschicht. Die festgelegte Schichtdicke wird ebenso zu der Steuereinheit zurückübermittelt, die diese Information dazu verwendet, ein Update der aktuellen Ablagerungsraten durchzuführen, um die Anzahl erforderlicher Unterschichten zu minimieren.

Der letzte Abschnitt betrifft die Reoptimierung der verbleibenden Schichtdicke, nachdem die Schicht fertiggestellt worden ist. Bei man­ chen Filtern ist dieser Abschnitt nicht notwendig, jedoch ist bei ande­ ren Filtern diese Reoptimierung kritisch, wenn gewünschte Filterspe­ zifikationen erfüllt werden müssen.

Entscheidend für die Herstellung eines Filters mit einer guten ADS-Funktion ist die Annahme, daß der beschichtete Filter genau model­ liert werden kann. Dies erlaubt dann eine genaue Festlegung der Schichtdicke basierend auf den experimentellen Transmittanzdaten. Wenn dies nicht erhalten wird, ist es nicht möglich, die Herstellung der mehreren Lagen genau zu steuern. Glücklicherweise können Pro­ bleme mit der Schichtbestimmung gewöhnlich dadurch behoben wer­ den, daß nachdem die optischen Konstanten des Materials in ausrei­ chendem Maße charakterisiert worden sind, das Schichtbestimmungs­ verfahren modifiziert oder die Mehrlagenlösung angepaßt wird. Bei Verwendung des Dünnfilmprogramms ist es möglich, zuerst den Abla­ gerungsprozeß im ADS zu simulieren, bevor eine Beschichtung er­ folgt, um hierbei festzustellen, ob die Schichtfestlegungsstrategie ak­ zeptabel ist.

Bei Einstellung des Schichtfestlegungsverfahrens müssen eine Viel­ zahl von Faktoren berücksichtigt werden, die von der Art des herzu­ stellenden Filters abhängen. Zum Beispiel ist eine minimale Schicht­ dicke erforderlich, so daß ein erfaßbarer Transmittanzunterschied des Filters ermittelbar ist, nachdem dieser beschichtet wurde. Wenn eine Mehrfachschicht hergestellt wurde und die sich hieraus ergebende Filterfunktion nicht innerhalb der Spezifikationen liegt, ist es möglich, einen Wiederholungsmodus durchzuführen, da alle Transmittanzmes­ sungen während eines Ablagerungsdurchgangs gespeichert werden. Mit diesem Merkmal kann ein Operator schnell die Mehrfachbeschich­ tung überprüfen und herausfinden, wo sich die Problemschicht befin­ det. Es ist hierauf möglich, Schichtbestimmungsparameter im Wieder­ holungsmodus anzupassen, um festzustellen, ob eine bessere Lösung erzielt werden kann. Zum Beispiel kann eine genaue Festlegung der Dicke einer vorgegebenen Schicht schwer zu erzielen sein in Abhän­ gigkeit von dem Mehrschichtensystem. In diesem Fall kann der beste Weg darin liegen, die aktuelle Schicht nur nach Zeit abzulagern und Transmittanzmessungen zu verwenden, nachdem die nächste Schicht abgelagert wurde, um exakt die Dicke beider Schichten zu ermitteln. Hierauf kann eine Reoptimierung der verbleibenden Schicht verwen­ det werden, um etwaige Dickenfehler in diesen Schichten zu berück­ sichtigen.

Viele verschiedene Filterarten wurden mit dem Hochfrequenz-ADS in den vergangen Jahren hergestellt. Diese beinhalten vollständig dielek­ trische Beschichtungen wie zum Beispiel Spaltfilter, Schmal­ bandtransmittanzfilter, Saugfilter, colorimetrische Filter, Antireflexfil­ ter, Gebrauchsbandpaßfilter sowie Metall/Dielektrikumsbeschich­ tungen.

Das Hochfrequenz-ADS hat bewiesen, automatisch komplexe optische Filter herstellen zu können. Jedoch bestehen einige Beschränkungen bezüglich dieses Systems, die dessen Verwendung als Produktionsab­ lagerungssystems ausschließen; nämlich die geringen Ablagerungsra­ ten und die in gewisser Weise beschränkte Dickengleichförmigkeit.

Einige Filtergestaltungen können bis zu 21 Stunden zur Ablagerung benötigen. Folglich wäre es sehr vorteilhaft, dazu in der Lage zu sein, die Beschichtungsraten in starkem Maße zu erhöhen, während zur gleichen Zeit auch die Dickengleichmäßigkeit gesteigert würde.

Hochleistungs-Sputter, die dazu in der Lage sind, Filme mit einem Durchsatz in der Größenordnung von 0,7 nm/s zu beschichten, sind seit kurzem erhältlich. Unglücklicherweise hat sich herausgestellt, daß wenn diese Quellen verwendet wurden, die Filmdicken mit dem erfor­ derlichen Genauigkeitsgrad festgestellt werden konnten. Hieraus re­ sultiert, daß das ADS-System, das bei niedrigen Raten gut arbeitet, nicht dazu verwendet werden konnte, komplexe Filme automatisch und mit kommerziell vertretbaren Durchsatzraten zu beschichten.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein automati­ sches Ablagerungssystem zur Verfügung zu stellen, das dazu in der Lage ist, mit relativ hohen Durchsatzraten zu arbeiten.

Demgemäß stellt ein Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Ablage­ rung einer komplexen mehrlagigen Beschichtung auf einem Substrat zur Verfügung, wobei alle Beschichtung aus mehreren Schichten von zumindest zwei Materialtypen besteht, wobei das Verfahren als Ver­ fahrensschritte umfaßt das sequentielle Ablagern dieser Schichten in einer Ablagerungskammer mit reaktiver Ablagerung mit hohem Durch­ satz; Festlegen der Dicke der abgelagerten Schichten einmal oder mehrmals während der Schichtenablagerung durch Durchführung opti­ scher Messungen der abgelagerten Schicht und Einstellen der theore­ tischen Werte, die von einem Modell der abgelagerten Schichten er­ halten wurden, auf die korrespondierenden aktuellen Werte, die von den genannten Messungen erhalten wurden; und kontinuierliches Steuern einer Prozeßvariable, um die Homogenität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine verwertbare Dickenbestim­ mung von dem theoretischen Modell gemacht werden kann.

Die optisch gemessene Qualität kann zum Beispiel die Transmittanz, die Reflektion oder der ellipsometrische Wert der Mehrfachbeschich­ tung bei einer oder mehreren Wellenlängen sein. Die theoretischen Werte können durch Anpassung einer oder mehrerer Schichtdicken der abgelagerten Schichten in dem theoretischen Modell erhalten werden, um die errechneten Daten des Modells an die gemessenen Daten anzupassen.

Um die Ablagerungsraten zu erhöhen, werden Doppelwechselstrom­ quellen verwendet. Diese Stromquellen ermöglichen hohe zu erzielen­ de Durchsatzraten in der Größenordnung von 0,7 nm/s. In dieser Spezifizierung liegen hohe Durchsatzraten im allgemeinen ungefähr in der Größenordnung von 0,5 nm/s und darüber und niedrige Raten bei Beschichtungsraten in der Größenordnung von 0,1 nm/s. Wenn jedoch - wie oben erläutert wurde - Stromquellen mit hohen Durchsatzraten verwendet werden, kann erfahrungsgemäß die Dicke der abgelagerten Schicht nicht genau festgelegt werden.

Die Anmelder haben herausgefunden, daß dies aufgrund der inhomo­ genen Eigenschaft des Films der Fall ist, der bei Verwendung mit Stromquellen mit hohen Durchsatzraten aufgetragen wird, resultierend aus dem Verlust einer stöchiometrischen Verteilung aufgrund der schlechten Steuerung der Prozeßvariablen, wenn die Ablagerungs­ energie verändert wird. Zum Beispiel wird im Falle einer reaktiven Sputterablagerung von Nb₂O₅ die Schicht normalerweise dadurch auf­ getragen, daß eine Niobium-(Nb-) Zielfläche in der Sputterkammer in Anwesenheit von Sauerstoff und Argon beschossen wird. Nb- und O-Atome werden hierauf von der Zieloberfläche geschleudert und ver­ binden sich auf der Oberfläche des Substrates unter Bildung von Nb₂O₅. Außerdem wirken Sauerstoffatome des Plasma mit dem an­ wachsenden Film auf der Substratoberfläche zusammen. Der Sauer­ stoff wird darüber hinaus durch überflüssiges Niobium gegettert, das auf den Wänden der Kammer abgelagert wird. Wenn die an der Nb-Zielfläche anliegende Energie geändert wird, ändert dies die Ablage­ rungsrate der Nb-Atome, was hierdurch das Gettern des Sauerstoffs stark beeinträchtigen kann. Dies führt zu einem niedrigeren oder hö­ heren Sauerstoffteildruck in der Kammer, wenn die Sauerstoffdurch­ satzrate konstant gehalten wird. Wenn die Ablagerungsenergie geän­ dert wird, und wenn der zur Sauerstoffstrom nicht schnell angepaßt wird, um einen konstanten Sauerstoffteildruck zu erhalten, wird die stöchiometrische Verteilung des anwachsenden Films beeinträchtigt. Während bei niedrigen Energien die Durchsatzanpassung ausreichend schnell erfolgen kann, trifft dies für hohe Energien nicht zu. Dies ver­ ursacht Inhomogenitäten des abgelagerten Films in Dickenrichtung. Diese Inhomogenitäten beeieinträchtigen den ADS-Dickenbestim­ mungsalgorithmus, da dieser davon ausgeht, daß homogene Filme abgelagert werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein homogener Film dadurch erhalten, daß der Durchsatz des reaktiven Gases, typischer­ weise Sauerstoff, variiert wird, um einen konstanten Teildruck dieses Gases zu erhalten.

Es wird außerdem bevorzugt, die Schicht anfangs mit einem hohen Durchsatz abzulagern und die Dicke durch Transmittanzmessungen zu bestimmen, indem die gemessene Transmittanz mit der Transmittanz verglichen wird, die aufgrund der Annahme errechnet wird, daß die Schichten homogen sind. Die fehlende Dicke wird hierauf mit einer niedrigen Durchsatzrate abgelagert. Typischerweise werden 95 bis 97% der gewünschten Schichtdicke mit hohem Durchsatz abgelagert. Wenn die Dickenmessung zeigt, daß die geeignete Dicke überschrit­ ten worden ist, werden kompensierende Anpassungen bei den ver­ bleibenden Schichten durchgeführt.

In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verfü­ gung zur Ablagerung einer komplexen Mehrfachbeschichtung auf ei­ nem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten aus zumindest zwei Materialarten besteht, wobei das Verfahren als Ver­ fahrensschritte umfaßt das sequentielle Ablagern der Schichten in ei­ ner reaktiven Ablagerungskammer, die verschiedene Energieeinstel­ lungen ermöglicht, während der Ablagerungsvorgang überwacht wird und zumindest eine Prozeßvariable in Echtzeit gesteuert wird, um dafür zu sorgen, daß jede Schicht die gewünschten Charakteristiken aufweist; Einstellen zumindest einer Prozeßvariable am Beginn der Ablagerung jeder Schicht mit Ausnahme der ersten Schicht ihrer Ma­ terialart zur Anpassung an den Wert der Prozeßvariable am Ende des letzten Beschichtungsabschnittes der vorigen Schicht mit der gleichen Materialart bei der gleichen Leistungseinstellung.

Die obengenannte Prozeßvariable ist typischerweise der Durchsatz des reaktiven Gases, zum Beispiel Sauerstoff.

Die Erfindung stellt außerdem eine Vorrichtung zur Ablagerung einer komplexen Mehrfachbeschichtung auf einem Substrat zur Verfügung, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten zumindest zweier Materialarten besteht, und die Vorrichtung folgendes umfaßt: Eine Ablagerungskammer umfassend zumindest zwei Quellen für Materiali­ en, die durch reaktive Ablagerung abgelagert werden; Mittel in dieser Kammer zur Messung einer optischen Größe der abgelagerten Schichten; Mittel zur Anpassung theoretischer, von einem Modell der abgelagerten Schichten abgeleiteter Werte an die entsprechenden aktuellen Werte, die von der Messung der optischen Größe erhalten werden; und Mittel zur kontinuierlichen Steuerung einer Prozeßvaria­ ble, um die Homogenität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine wirksame Dickenbestimmung durch das theoretische Mo­ dell durchgeführt werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; hierbei zeigen

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines zur Ablagerung mit hohem Durchsatz geeigneten Bedampfungssystem;

Fig. 2 ein Blockschaubild des Steuersystems;

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Prozeßsteuerungssystems, das auf die Erfindung angewendet werden kann;

Fig. 4 die Veränderung des Brechungsindex als eine Funk­ tion des Sauerstoffteildruckes für eine Nb₂O₅-Schicht;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Sauerstoffstroms als Funktion der Zeit für hohe und niedrige Ablagerungsdurch­ sätze;

Fig. 6 den Sauerstoffteildruck als Funktion der Zeit nachdem niedrige oder hohe Energie auf die Magnetronquelle aus­ geübt wurde;

Fig. 7 ein schematisches Diagramm, das die Inhomogenität des Brechungsindex der mit hohen und niedrigen Energien abgelagerten Schichten zeigt;

Fig. 8 den Sauerstoffgasdurchsatz als Funktion der Zeit für jede Schicht, wenn sukzessive Nb₂O₅-Schichten abgelagert werden;

Fig. 9 die Zielflächenspannung als Funktion der Zeit für jede Schicht, wenn sukzessive Nb₂O₅-Schichten abgelagert werden;

Fig. 10 die Transmittanzkurven von Zwei-Peak-Interferenzfiltern, die ohne Einstellung des Sauerstoffdurchsatzes zu Beginn der Ablagerung an den Wert am Ende des letzten Ab­ schnittes der vorigen Schicht bei gleichem Leistungsle­ vel hergestellt wurden;

Fig. 11 das Brechungsindexprofil des 35-schichtigen Zwei-Peak- Interferenzfilters aus Fig. 10;

Fig. 12 ein Ablaufdiagramm, das einen Teil des zweistufigen Ablagerungsverfahrens in Übereinstimmung mit der Er­ findung zeigt, das geeignet ist für hohe und niedrige Energien;

Fig. 13 ein Ablaufdiagramm, das das komplette zweistufige Ab­ lagerungsverfahren zeigt;

Fig. 14 den Sauerstoffdurchsatz als Funktion der Zeit für meh­ rere Schichten, die durch Einstellung des Sauerstoff­ durchsatzes zu Beginn der Ablagerung auf den Wert am Ende des letzten Abschnittes der vorigen Schicht bei gleichem Leistungslevel abgelagert wurden;

Fig. 15 die Zielflächenspannung als Funktion der Zeit für meh­ rere Schichten für ein System, das in Übereinstimmung mit Fig. 14 hergestellt wurde;

Fig. 16 die Transmittanz eines Zwei-Peak-Interferenzfilters, der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde;

Fig. 17 die Transmittanz des Zwei-Peak-Interferenzfilters aus Fig. 16 für eine breitere Spektralregion;

Fig. 18 bis 19 die Ergebnisse eines Wiederholgenauig­ keitstests fünf verschiedener Durchgänge eines mehrschichtigen Spaltfilters, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Er­ findung hergestellt wurde; und

Fig. 20 das Brechungsindexprofil, des in Fig. 18 abgebilde­ ten Spaltfilters.

Wie in Fig. 1 (linke Bildhälfte enthält Seitenansicht, rechte Bildhälfte Draufsicht) dargestellt, umfaßt die zylindrische Sputter- oder Bedamp­ fungskammer eine Vakuumkammer 1 mit einer Kryopumpe 2, zwei Be­ dampfungsquellen 3 und einen Käfig 4, der Substrate 5 trägt. Der Kä­ fig 4 kann um eine vertikale Achse mit einem Schrittschaltmotor 6a gedreht werden.

Die Substrate 5 können vor eine von zwei vertikalen Metall- oder Halbleiterzielflächen positioniert werden. Um Oxidschichten zu erhal­ ten, werden die Magnetronquellen in einer Kammer betätigt, die mit einer geeigneten Mischung von Ar- und O₂-Gasen gefüllt ist.

Die Kammer weist außerdem eine Belichtungsquelle 6b auf, der ge­ genüber ein Gitter und Photodiodenfeld (PDA) 7 angeordnet ist, um Lichttransmittanzmessungen zu erlauben, die durch Drehung des Kä­ figes durchgeführt werden, wodurch das Substrat in dem Lichtstrahl 8 liegt. Das optische Überwachungssystem ist dazu geeignet, die Transmittanz der Substrate 5 in dem Spektralbereich zwischen 400 und 800 nm zu messen. Ein Einlaß 9 ermöglicht eine Argon- und Sau­ erstoffvermischung und ein Drucksensor 10 mißt den Gesamtdruck in der Kammer, der ungefähr 3 mTorr beträgt.

Die Bedampfungsquellen 3 bestehen aus zwei Zweifachwechsel­ strommagnetronquellen (ungefähr 8 × 40 cm), die an Stromzufuhrgerä­ te von Advandced Energy 40 kHz, 10 kW angeschlossen sind.

Die zwei Zweifachwechselstrommagnetronquellen und die Kammer sind von Shincron Co. Ltd., Tokyo, Japan hergestellt. Das System wird gesteuert durch einen Prozeßsteuercomputer 12, der ein Techware II+-Controller sein kann, der von Brooks Automation (Kanada) hergestellt ist. Ein anderer Computer 13 bearbeitet ein Pro­ gramm mit einem Echtzeitprozeßsteueralgorithmus zur Ablagerung von komplexen Mehrfachschichtsystemen. Der optische Monitor ist vom Typ Hamamatsu PMA-50.

Das Basissteuerungssystem ist in Fig. 2 dargestellt. Das System verwendet zwei Computer 12, 13, einen zur Prozeßsteuerung und den anderen für das Dickenbestimmungsverfahren, wobei es offensichtlich ist, daß ein herkömmlicher Computer auch für beide Vorgänge ver­ wendet werden könnte. Jeder Computer ist ausgestattet mit einem Speicher 16, 17.

Der Computer 12 erhält seinen Input unter anderem von dem Dicken­ bestimmungscomputer 13 und dem Drucksensor 10, der den To­ taldruck in der Kammer mißt. Dieser ist proportional zum Sauerstoff­ teildruck, da sich der Argoninhalt nicht in größerem Maße ändert. Der Computer 12 hält den Sauerstoffteildruck konstant, indem der Sauer­ stoffdurchsatz mit der Steuereinheit 11 variiert wird. Der Computer 12 steuert die Ablagerungsrate durch Steuerung des Energiewertes, der an die Quellen 3 angelegt wird mittels einer Energiesteuereinheit 14.

Vor dem Beginn der Ablagerung kann das gewünschte Filterdesign auf den Computer 13 geladen werden. Hierauf wird ein Substrat in die Ablagerungskammer gegeben und das ADS wird automatisch ausge­ pumpt und wartet entweder eine vorbestimmte Zeitdauer lang oder darauf, daß ein akzeptabler Basisdruck erreicht wird. An diesem Punkt wird ein Plasma in der Kammer gezündet und die Sputterzielflächen vorgereinigt. Wenn das Bedampfungssystem fertig ist, fordert der Controller Informationen bezüglich der ersten Schicht von dem Film­ programm an.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, zerlegt das Programm zuerst die aktuel­ le Schicht und sendet hierauf den Materialnamen der aktuellen Schicht zusammen mit der gewünschten Dicke und dem Prozeßnamen für die Schicht (B). Der Controller errechnet hierauf die für die Abla­ gerung der festgelegten Schichtdicke erforderliche Bedampfungszeit und dreht das Substrat zu dem geeigneten Ziel für die gewünschte Zeit, nachdem die Ablagerungsparameter modifiziert worden sind. Nachdem die Schicht mit einem hohen Durchsatz abgelagert wurde, typischerweise mit 0,7 nm/s, aktiviert der Controller das Dünnfilmpro­ gramm, welches dann mit dem optischen Breitbandmonitor eine Transmittanzmessung des Substrats in einem Spektralbereich zwi­ schen 380 und 860 nm durchführt (D).

Das Dünnfilmprogramm verwendet diese Daten, um die aktuelle, abge­ lagerte Schichtdicke zu ermitteln (E), indem die beste Übereinstim­ mung mit den errechneten Transmittanzdaten gefunden wird. Dies wird erhalten durch Anpassung der Schichtdicke des theoretischen Modells, bis die beste Übereinstimmung mit den gemessenen Daten erhalten wird.

Wenn keine ausreichende Dicke aufgetragen wurde (F), werden die Schritte (B) bis (E) mit niedrigem Durchsatz wiederholt, typischerweise mit 0,1 nm/s, bis die Dicke innerhalb einer festgelegten Toleranz der gewünschten Dicke liegt. Wenn eine zu große Dicke aufgetragen wur­ de oder wenn die vorhergesagte Filterleistung nicht mehr akzeptabel ist, können die Dicken der verbleibenden Schichten entsprechend an­ gepaßt bzw. reoptimiert werden (G), bevor die nächste Schicht aufge­ tragen wird (H). Dieses Verfahren wird wiederholt, bis alle Schichten aufgetragen wurden. Häufig ist keine Reoptimierung während der Ab­ lagerung erforderlich, da die Schichtdickensteuerung eine Genauigkeit von 1 nm oder besser aufweist.

Beim reaktiven Sputtern wird das reaktive Gas (wie zum Beispiel Sau­ erstoff oder Stickstoff) in die Ablagerungskammer 1 zusammen mit Argon eingeführt. Wenn des Gasstrom hoch genug ist, bildet sich eine dielektrische (isolierende) Schicht auf der Oberfläche der Zielfläche. Dieser Prozeß ist als "poisoned target mode sputtering" bekannt und erzeugt üblicherweise hochqualitative Filme mit geringer oder gar kei­ ner Absorption. Die positiven Ar-Ionen tragen sowohl Metall- als auch Sauerstoffatome ab, so daß diese nachfolgend das Substrat bedec­ ken. Außerdem reagiert der im Plasma vorhandene atomische Sauer­ stoff auch mit dem anwachsenden dielektrischen Film auf dem Substrat. Wenn eine Gleichspannung an der Zielfläche angelegt wird, lädt sich die dielektrische Schicht schnell auf und das Plasma wird gelöscht und das Sputtern endet. Um dies zu vermeiden, wird eine Hochfrequenz- oder Wechselspannung an der Zielfläche angelegt. Dies ermöglicht es, eine negative Vorspannung an der Zielfläche auf­ rechtzuerhalten und bewirkt, daß der Sputterprozeß fortgesetzt wird.

Es ist wichtig, daß die dielektrischen Filme, die durch reaktives Ma­ gnetronsputtern hergestellt werden, die korrekte Zusammensetzung (das heißt stöchiometrische Verteilung) haben, wobei die Ablagerung einer Oxydschicht aus einem metallischen Ziel mit (reaktiven) Sauer­ stoffgas in der Kammer berücksichtigt werden muß. Es wurde experi­ mentell herausgefunden, daß der Brechungsindex des Films wechseln kann, wenn zu viel oder zu wenig Sauerstoff in der Kammer vorhan­ den ist. Eine ungleiche stöchiometrische Verteilung kann auch zu ei­ nem Anwachsen der Absorption des Films führen. Zum Beispiel ergibt ein Sauerstoffteildruck unterhalb des Druckes, bei dem ein Sputtern erfolgt, in einem Modus mit blankem Metall einen metallnahen Film (siehe Fig. 4). Oberhalb dieses Sauerstoffteildruckes ist die Ziel­ oberfläche teilweise oder vollständig oxidiert, woraus Oxydfilme mit geringer oder gar keiner Absorption resultieren. Deshalb wird der Be­ triebssauerstoffteildruck üblicherweise derart ausgewählt, daß er bei einem sicheren Wert oberhalb dieses Übergangs-Sauerstoffteil­ druckes liegt.

Gesetzt den Fall, daß während eines reaktiven Bedampfungsverfah­ rens der Argondurchfluß konstant ist und der Sauerstoffdurchfluß an­ gepaßt wird, um einen konstanten Totaldruck von Argon und Sauer­ stoff in der Kammer zu halten, und wenn ein ausreichend hoher Strom an die Magnetronzielfläche angelegt wird, findet das Bedampfen statt. Das Metall, das auf den Substraten und an den Wänden der Kammer abgelagert wird, reagiert mit dem Sauerstoffgas in der Kammer, um eine Verbindung zu bilden. Hieraus resultiert, daß zuerst die Menge des freien Sauerstoffs in der Kammer reduziert wird. Dieser Prozeß, der wie eine selektive Pumpe für Sauerstoff agiert, ist als "Gettern" bekannt. Da jedoch das Verfahren darauf abzielt, einen konstanten Gesamtdruck von Argon und Sauerstoff aufrechtzuerhalten, während der Durchfluß von Argon konstant gehalten wird, wird der Durchfluß von Sauerstoff erhöht. Nach einiger Zeit stellt sich ein stabiler Zu­ stand wieder ein. Die hierfür erforderliche Zeit hängt von der Menge an das Magnetron angelegten Energie und von den PID-Parametern, die den Sauerstoffdurchfluß steuern, ab.

Von dem schematischen Diagramm in Fig. 5 läßt sich ersehen, daß bei niedrigen Energien die Änderungen der Sauerstoffdurchsatzrate gering ist, die Erholung schnell erfolgt und der Sauerstoffdurchfluß relativ stabil während der für die Ablagerung eines dünnen Filmes er­ forderlichen Zeitspanne bleibt. Während der Hochenergiebedampfung ist das Gettern viel größer und die Zeit, die zum Ablagern einer vor­ gegebenen Filmdicke erforderlich ist, viel kürzer verglichen mit der Ablagerung bei niedrigem Durchsatz. Demzufolge variiert die Sauer­ stoffdurchflußrate markant während der Bildung der Schicht. Ände­ rungen der Sauerstoffdurchflußrate übertragen sich in Änderungen des Sauerstoffteildruckes (Fig. 6). Hieraus resultiert eine Verände­ rung des Brechungsindex innerhalb dieser Schicht. Das schematische Diagramm in Fig. 7 zeigt, daß der Brechungsindex konstant über den größten Teil des bei niedrigem Durchsatz abgelagerten Films bleibt. Jedoch bei hohen Durchsatzraten unter Verwendung dieser Gas-Steuerungsstrategie variiert der Brechungsindex der Beschichtung in­ nerhalb der Beschichtung. Ebenso können Änderungen des Sauer­ stoffteildrucks in der Kammer signifikant die Filmqualität aufgrund von Gasstreuung beeinträchtigen. Dies hat Einfluß auf die Mikrostruktur des Films und wiederum auf dessen Brechungsindex. Diese Effekte sind nicht sehr wichtig bei Ablagerung von Schichten mit niedriger Durchsatzraten, jedoch können sie zu ernsten Problemen aufgrund von Brechungsindexinhomogenitäten bei einer Ablagerung mit hohen Durchsatzraten führen.

Bei niedrigen Durchsatzraten kann ein konstanter Gesamtgasdruck und ein konstanter Argonstrom aufrechterhalten werden, während der gleiche anfängliche (feste) Sauerstoffgasstrom für die Ablagerung je­ der Schicht des gleichen Materials vorgesehen wird. Zu dem Zeitpunkt bei dem die Energie geändert wird, um eine Absorption in den Filmen zu verhindern, stellt dieser anfängliche feste Wert einen überschüssi­ gen Sauerstoffstrom zur Verfügung, der oberhalb dessen liegt, was während einer Bedampfung in stabilem Zustand erforderlich ist. Folg­ lich fällt der Sauerstoffdurchfluß in diesem Fall ab. Der Gassteueral­ gorithmus kann hierauf automatisch den Sauerstoffgasstrom anpas­ sen, um den Gesamtgasdruck konstant zu halten. Die PID-Sauerstoff­ strom-Steuerparameter werden ausgewählt, um Oszillationen des Ge­ samtgasdruckes zu verhindern. Dieser Algorithmus ermöglicht es, daß der Sauerstoffgasstrom automatisch eingestellt wird, wenn die Abla­ gerungsenergie geändert wird oder falls die Gaspumpengeschwindig­ keit langsam abgesackt ist. Obwohl der oben erwähnte Prozeß zufrie­ denstellend bei niedrigen Durchsatzraten ist, ist er ziemlich ungeei­ gnet bei hohen Durchsatzraten.

Fig. 8 zeigt den experimentell gemessenen Sauerstoffstrom als Funktion der Zeit, nachdem eine hohe konstante Energie an die mit hohem Durchsatz arbeitenden Niobiumwechselstrommagnetronquelle angelegt wird. Die alte Gassteuerungsstrategie wurde verwendet, um vier separate Nb₂O₅-Schichten abzulagern. (Zwischen den Nb₂O₅- Schichten wurden auch SiO₂-Schichten abgelagert.) Die gleiche an­ fängliche Sauerstoffdurchflußrate wurde zu Beginn jeder Schicht ver­ wendet. Diese Rate war hoch genug, um Absorptionsprobleme zu verhindern. Der Sauerstoffdurchfluß wurde hierauf angepaßt um den Gesamtargon- und -sauerstoffdruck konstant zu halten. Wie leicht feststellbar ist, liegt ein signifikanter Abfall des Sauerstoffgasstromes vor. Es ist wahrscheinlich, daß ein Abdriften der Pumpgeschwindigkeit verantwortlich ist für die verschiedenen Werte, bei denen sich der Sauerstoffteildruck bei den vier Schichten stabilisiert hat.

Fig. 9 zeigt die entsprechenden Niobium-Zielspannungen, die aus den Veränderungen des Sauerstoffstromes resultieren. Zielspannun­ gen sind ein guter Indikator dafür, ob sich die Ablagerungsbedingun­ gen stabilisiert haben und folglich der Brechungsindex des Films konstant ist. Die Übereinstimmung zwischen diesen Kurven ist besser, jedoch besteht immer noch eine signifikante Änderung zu Beginn der Ablagerung jeder Schicht. Deshalb ist es sicher, daß die vier Schich­ ten signifikanten Brechungsindexinhomogenitäten aufweisen. Inhomo­ genitäten der Brechungsindices der Schichten haben einen starken Effekt auf die Genauigkeit des Dickensteuerungsverfahrens. Der Schlüssel zur Ablagerung komplexer mehrschichtiger Filter in dem ADS liegt in der genauen Festlegung der Schichtdicken basierend auf den Transmittanzmessungen. Das vorliegende Dickenfestlegungsver­ fahren setzt ein Modell voraus, bei dem alle Schichten homogen sind. Dieses Modell stimmt nicht, wenn signifikante Inhomogenitäten des Brechungsindex in den Schichten vorliegen. Es ist unpraktisch, das Modell derart zu modifizieren, daß Inhomogenitäten berücksichtig werden können. Dieses würde die Analyse stark verkomplizieren: Ein sehr komplexes Modell müßte verwendet werden, um die Tatsache zu berücksichtigen, daß das Ausmaß dieser Inhomogenität von Schicht zu Schicht ebenso wie von Durchlauf zu Durchlauf unterschiedlich sein kann. Wenn jedoch das Vorhandensein einer starken Inhomo­ genität ignoriert wird, beginnt die Dickenbestimmungssoftware nach einiger Zeit, falsche Dickenwerte zu errechnen. Sobald dies erfolgt, wird es fast unmöglich, den gewünschten Filter akkurat zu beschichten.

Fig. 10 zeigt ein Beispiel hierfür. Es zeigt die gemessenen Transmit­ tanzkurven dreier 35 Schicht-Zwei-Peak-Interferenzfilter basierend auf Nb₂O₂ und SiO₅ und hergestellt durch Wechselstrommagnetronsput­ tern mit hohem Durchsatz unter Verwendung der Prozeßsteuerung, die schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, mit dem oben beschriebe­ nen Gassteuerungsalgorithmus. Das Brechungsindexprofil dieses Fil­ ters ist in Fig. 11 dargestellt. Die ersten 95 bis 97% der gewünsch­ ten Schichtdicke wurden mit hohem Durchsatz aufgetragen (was er­ forderlich ist, um die Einrichtung kommerziell einsetzbar zu machen), aber die verbleibenden 3 bis 5% wurden mit niedrigem Durchsatz aufgetragen, um genau die gewünschten Gesamtschichtdicken zu er­ halten. Es läßt sich feststellen, daß von Durchgang zu Durchgang ei­ ne schlechte Wiederholbarkeit vorliegt und daß keiner der Filter rechteckige Bandpaßformen aufweist, die sie eigentlich haben sollten. Diese Probleme können direkt den Dickenbestimmungsproblemen zu­ geschrieben werden, die aus den Inhomogenitäten der Brechungsin­ dices der individuellen Schichten in dem System resultieren.

Ein wichtiger Faktor zur Eliminierung dieses Problems besteht darin, die Restabilisierungszeit zu reduzieren und folglich die Inhomogenität der Schichten, die sowohl durch reaktives Bedampfen mit niedrigen als auch mit hohen Durchsatzraten beschichtet sind. Anstatt die glei­ che (feste) Anfangssauerstoffgasströmung für jede Schicht sowohl für Niedrig- als auch für Hochenergieeinstellungen zu verwenden, ba­ siert der anfängliche Gasstrom auf dem Sauerstoffgasstrom des glei­ chen Zieles für die letzte Schicht, die unter den gleichen Energiebe­ dingungen aufgetragen wurde. Das heißt, wenn der Sauerstoffgas­ strom 10,0 sccm am Ende einer Nb₂O₅-Schicht betrug, die mit hoher Durchsatzrate beschichtet wurde, dann wäre der anfängliche Sauer­ stoffgasstrom für die nächste Beschichtung einer Nb₂O₅-Schicht mit der gleichen hohen Durchsatzrate bei einem Wert von 10,0 sccm.

Hieraus ergibt sich eine viel schnellere Stabilisierungszeit und dies reduziert die in dem Film vorhandene Inhomogenität.

Fig. 12 ist eine schematische Darstellung dieser Schichtauftra­ gungsstrategie. Die Kästchen B bis E des Ablaufdiagramms der Pro­ zeßsteuerung für das in Fig. 3 dargestellte Verfahren zur reaktiven HF-Sputterbeschichtung werden durch die in Fig. 13 dargestellten Schritte ersetzt. Nachdem die Schicht- und Prozeßinformation (hohe Durchsatzrate, niedrige Durchsatzrate) zur Verfügung gestellt sind (A), holt sich der Prozeß-Controller die Sauerstoffdurchsatzrate, die am Ende der letzten Beschichtung einer Schicht mit dem gleichen Material und mit den gleichen Prozeßbedingungen gesputtert wurde, also mit dem gleichen Energiewert (B). Die Schicht wird hierauf auf­ getragen (C) und die Sauerstoffdurchsatzrate wird gespeichert für zu­ künftige Verwendungen während der Beschichtung einer nachfolgen­ den Schicht des gleichen Materials, kurz bevor das Abtragen der Schicht beendet wird (D). Die Transmittanz des Schichtensystems wird gemessen mit dem optischen Breitbandmonitor (E) und die Schichtdicke wird ermittelt (F).

Das komplette Ablaufdiagramm, das die Prozeßsteuerung verwendet, ist in Fig. 13 dargestellt. Für jedes Beschichtungsmaterial a, b, c . . . sind verschiedene Äste vorgesehen. Die Kästchen (D) und (E) ent­ sprechen Beschichtungen mit hohen (D) bzw. niedrigen (E) Durchsatz­ raten. Jedes dieser Kästchen besteht aus all den in Fig. 12 darge­ stellten Schritten; sie unterscheiden sich lediglich in der Tatsache, daß ihre Durchsatzraten verschieden sind, und werden deshalb ge­ speichert in und geladen von verschiedenen Positionen des Speichers (16).

Die oben beschriebenen Experimente werden wiederholt, außer wenn die neue Gasprozeßsteuerungsstrategie angewendet wird. Fig. 14 zeigt den gemessenen Sauerstoffstrom, der als Funktion der Zeit aus­ gedruckt ist, nachdem eine konstante Energie an die Wechselstrom- Magnetronquelle angelegt wurde während der reaktiven Beschichtung 5 verschiedener Nb₂O₅-Schichten. (Zwischen den Nb₂O₅-Schichten wurden SiO₂-Schichten aufgetragen.) Dieses Mal wurde die anfängli­ che Sauerstoffdurchflußrate für jede Nb₂O₅-Schicht, die mit hoher Energie aufgetragen wurde, auf den gleichen Wert wie am Ende der Beschichtung der letzten Nb₂O₅-Schicht mit der gleich hohen Energie eingestellt. Erneut war der Argonstrom konstant und der Sauer­ stoffstrom wurde angepaßt, um den Gesamtdruck (Ar + O₅) konstant zu halten. Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, daß der Sauer­ stoffstrom sich schnell stabilisiert hat bei Verwendung dieser neuen Gasdrucksteuerung.

Fig. 15 zeigt die experimentell gemessene Veränderung der Ziel­ spannung gegenüber der Zeit, die aus der Veränderung des in Fig. 14 dargestellten Sauerstoffstromes resultiert. Man kann erkennen, daß die Zielspannung sich ebenso sehr schnell stabilisiert hat, und daß dies in verstärktem Maße wiederholbar war. Zielspannungen sind ein guter Indikator dafür, ob die Ablagerungsbedingungen sich stabilisiert haben und folglich der Brechungsindex der aufgetragenen Schicht konstant ist.

Fig. 16 zeigt die experimentell gemessenen Transmittanzkurven von Zwei-Peak-Interferenzfiltern, die in fünf verschiedenen Ablagerungs­ durchläufen hergestellt wurden unter Verwendung des Prozeßsteue­ rungssystems, das schematisch in den Fig. 12 und 13 dargestellt ist. Es läßt sich erkennen, daß die Filterform nun exzellent ist und eine sehr gute Reproduzierbarkeit von Durchgang zu Durchgang vor­ liegt. Die Positionen der Peaks befinden sich innerhalb von 0,2 nm der Wellenlängenspezifizierungen der vorhandenen Konstruktion. Wie in Fig. 17 erkennbar ist, ist die Wiederholbarkeit sehr gut in einem räumlichen Bereich zwischen 400 und 900 nm, dies sogar obwohl der interessierende Spektralbereich nur zwischen 420 und 580 nm liegt. Folglich ermöglicht die Kombination des vorstehend beschriebenen ADS-Dickensteuerungsalgorithmus, der Hochleistungs-Wechselstrom­ magnetronablagerungsquellen und der neuen ADS-Gasprozeßsteuerung, daß eine erfolgreiche automatische Beschichtung komplexer Filter in einem Fünftel bis einem Zehntel der ursprünglich erforderlichen Zeit durchgeführt werden kann. Hierdurch wird das vorliegende ADS-System kommerziell verwendbar.

Eine Vielzahl von Materialien, beispielsweise Nb₂O₅, SiO₂, Al₂O₃ und ZrO₂ wurden mit diesem System aufgetragen. Die Durchsatzraten für Nb₂O₅ und SiO₂ betrugen jeweils ungefähr 0,7 nm/s. Das heißt, daß Filter, die ursprünglich mehr als 21 Stunden zur Beschichtung benö­ tigten, nun ungefähr nur noch drei Stunden benötigen. Die Dic­ kengleichförmigkeit für ein stationäres Substrat beträgt ± 1% in ei­ nem 70 × 70 mm-Bereich und ± 2,5% in einem 110 × 140 mm- Bereich. Eine Vielzahl anderer Filteraufbauten wurde aufgetragen, um zu demonstrieren, daß das beschriebene System eine gute Wieder­ holbarkeit von Durchgang zu Durchgang aufweist, um sich an das oben beschriebene Hochfrequenzsystem anzupassen.

Einer dieser Demonstrationsfilter war ein Stabfilter. Das Brechungsin­ dexprofil dieser 58-Schichten-Beschichtung ist in Fig. 20 dargestellt. Um den Stabfilter exakt an der gleichen Wellenlänge zu positionieren wurde der Filter in verschiedenen Ablagerungszuständen reoptimiert. Fünf verschiedene Ablagerungsdurchläufe wurden durchgeführt und die Normaleinfall-Transmittanzmessung der Filter ist in Fig. 18 dar­ gestellt. In dieser Figur läßt sich klar erkennen, daß das beschriebene System eine exzellente Reproduzierbarkeit aufweist. Die Präzision des ADS-I ist in Fig. 19 hervorgehoben, die zeigt, daß die Stabwel­ lenlänge um nicht mehr als 0,3 nm im Verlaufe der fünf Ablagerungs­ durchgänge variiert.

Die oben aufgeführten Resultate bestätigen, daß es nicht nur möglich ist, komplexe Filter zu konzipieren, um geforderte Spezifikationen zu erfüllen, sondern daß es nun möglich ist, diese automatisch und auf Routinebasis herzustellen. Zusätzlich ist es nun möglich, diese Be­ schichtungen mit hohen Beschichtungsraten und mit gutem Dicken­ gleichmäßigkeit herzustellen. Mit diesen bei den Dünnfilmkonzeptions- und Herstellungstechnik gemachten Vorteilen, sollte es in der nahen Zukunft möglich sein, ein integriertes Dünnfilmkonzeptions- und Be­ schichtungssystem zur Verfügung zu stellen, bei dem ein Operator detaillierte Filterspezifikationen in ein System eingeben kann, welches dann automatisch den Filter konzipiert und herstellt.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit Sputtern bzw. Bedampfung beschrieben wurde, liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, diese auch auf andere Formen der reaktiven Ablagerung anzuwenden, wie zum Beispiel reaktive Ionenbedampfung, reaktives Ionenplattieren oder ionenunterstützte Beschichtung.

Claims (34)

1. Verfahren zur Ablagerung einer komplexen mehrlagigen Beschichtung auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei das Verfahren die fol­ genden Verfahrensschritte umfaßt:
Sequentielles Ablagern zumindest eines Teils dieser Schichten in einer Ablagerungskammer durch reaktive Ablagerung mit hohem Durchsatz;
Bestimmen der Dicken der abgelagerten Schichten zu einem oder meh­ reren Zeitpunkten während der Schichtenablagerung durch Durchführen optischer Messungen der abgelagerten Schicht und Anpassen theoreti­ scher, von einem Modell der abgelagerten Schichten erhaltener Werte an die entsprechenden aktuellen, von den genannten Messungen erhal­ tenen Werte; und
kontinuierliches Steuern einer Prozeßvariable, um die Homogenität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine gültige Dickenbe­ stimmung von dem theoretischen Modell gemacht werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Prozeßvariable die Durchflußrate einer Reaktivgaskomponente ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Durchflußrate derart gesteuert wird, daß der Gesamtdruck im wesentlichen konstant bleibt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Reaktivgaskomponente Sauerstoff ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannten Schichten durch reaktives Sputtern abgelagert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Schicht anfangs mit hoher Durchsatzrate abgelagert wird, ei­ ne Dickenbestimmung durchgeführt wird und eine etwaige noch erfor­ derliche Dicke mit einer niedrigen Durchsatzrate abgelagert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der genannten Materialien Nb₂O₅ ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der Materialien SiO₂ ist.

9. Verfahren zur Ablagerung einer komplexen mehrlagigen Beschichtung auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei das Verfahren die fol­ genden Verfahrensschritte umfaßt:
Sequentielles Ablagern dieser Schichten in einer Ablagerungskammer durch reaktive Ablagerung mit hohem Durchsatz;
Bestimmen der Dicken der abgelagerten Schichten zu einem oder meh­ reren Zeitpunkten während der Schichtenablagerung durch Durchführen optischer Messungen der abgelagerten Schicht und Anpassen theoreti­ scher, von einem Modell der abgelagerten Schichten erhaltene Werte an die entsprechenden aktuellen, von den genannten Messungen erhalte­ nen Werte; und
kontinuierliches Steuern des Durchflusses eines reaktiven Gases, um die Homogenität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine gültige Dickenbestimmung von dem theoretischen Modell gemacht wer­ den kann.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Durchfluß des reaktiven Gases derart gesteuert wird, daß der Gesamtdruck in der Ablagerungskammer ungefähr konstant bleibt wäh­ rend des Ablagerungsprozesses.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei jede Schicht anfangs mit einer hohen Durchsatzrate abgelagert wird, die Dicke bestimmt wird, und eine etwaig noch erforderliche Dicke mit einer niedrigen Durchsatzrate abgelagert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Wert der Durchflußrate des reaktiven Gases am Ende jedes Ablagerungsabschnittes einer Schicht bei einem vorgegebenen Energie­ wert gespeichert wird, und wobei dieser Wert verwendet wird als An­ fangswert für den entsprechenden Abschnitt der nächsten Schicht mit den gleichen Ablagerungsbedingungen und dem gleichen Energiewert.

13. Verfahren zur Ablagerung einer komplexen mehrlagigen Beschich­ tung auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schich­ ten zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
Sequentielles Ablagern dieser Schichten in einer reaktiven Ablagerungs­ kammer und Überwachen des Ablagerungsprozesses und Steuern zumin­ dest einer Prozeßvariable in Echtzeit, um jede Schicht mit den ge­ wünschten Charakteristiken zu versehen; und
Einstellen zumindest einer Prozeßvariable am Anfang der Beschichtung jeder Schicht mit Ausnahme der ersten Schicht ihres Materialtyps, um sie an den Wert der Prozeßvariable am Ende eines entsprechenden Ab­ lagerungsabschnittes der vorherigen Schicht des gleichen Materialtyps anzupassen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein größerer Bereich jeder Schicht mit einer hohen Durchsatzrate und ein etwaiger verbleibender Bereich jeder Schicht mit einer relativ niedrigen Durchsatzrate abgelagert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei Schichten unter Verwendung eines reaktiven Sputterverfahrens abgelagert werden, und wobei die Prozeßvariable die Durchflußrate ei­ nes reaktiven Gases ist, das erforderlich ist, um einen gewünschten Druck in der Ablagerungskammer aufrechtzuerhalten.

16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Charakteristiken jeder Schicht während der Ablagerung jeder Schicht überwacht werden und Anpassungen der Prozeßvariablen vor­ genommen werden, um die gewünschten Charakteristiken zu erhalten.

17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei zumindest eines der Materialien Nb₂O₅ ist und die Prozeßsteu­ ervariable die Durchflußrate von Sauerstoff ist.

18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei zumindest eines der Materialien SiO₂ ist und die Prozeßsteuerva­ riable die Durchflußrate von Sauerstoff ist.

19. Verfahren zur Ablagerung einer komplexen mehrlagigen Beschich­ tung auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schich­ ten zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
Plazieren des Substrats in einer reaktiven Ablagerungskammer;
sequentielles Ablagern der Schichten in der Ablagerungskammer und
Überwachen des Ablagerungsverfahrens und Steuern zumindest einer Prozeßvariable, um jede Schicht mit den gewünschten Charakteristiken zu versehen, wobei die Ablagerungsrate jeder Schicht während einer Anfangsperiode hoch und in einer Endperiode niedrig ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Energiewert, der der Ablagerungskammer zugeführt wird, wäh­ rend der Endperiode wesentlich reduziert wird, um die Ablagerungsrate auf einen relativ niedrigen Wert abzusenken.

21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Charakteristiken jeder Schicht während des Ablagerungspro­ zesses überwacht werden und Anpassungen der Prozeßsteuerung durchgeführt werden, um eine Schicht zu erhalten, die die gewünschten Charakteristiken aufweist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei während der Ablagerung jeder Schicht der Ablagerungsprozeß gestoppt wird, wenn die projektierten Charakteristiken erreicht worden sind, die Charakteristiken der Schicht bestimmt werden, und ein weiteres Sputtern mit niedriger Durchsatzrate soweit erforderlich durchgeführt wird, um die gewünschten Charakteristiken zu erhalten, wenn die ermit­ telten Charakteristiken nicht mit den gewünschten Charakteristiken übereinstimmen.

23. Vorrichtung zur Ablagerung einer komplexen Mehrfachbeschichtung auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten zumindest zweier Materialtypteil besteht, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine Ablagerungskammer umfassend zumindest zwei Quellen von Mate­ rialien, die durch reaktive Ablagerung abgelagert werden sollen;
Mittel in der Kammer zum Messen einer optischen Eigenschaft der abge­ lagerten Schichten;
Mittel zum Anpassen theoretischer Werte, die von einem Modell der ab­ gelagerten Schichten abgeleitet wurden, an die entsprechenden aktuel­ len Werte, die aus der Messung der optischen Eigenschaft erhalten wur­ den; und
Mittel zum kontinuierlichen Steuern einer Prozeßvariable, um die Homo­ genität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine gültige Dickenbestimmung von dem theoretischen Modell durchgeführt werden kann.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei das Steuermittel die Durchflußrate einer Reaktivgaskomponente steuert.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei das Steuermittel derart programmiert ist, daß die Durchflußrate einer Reaktivgaskomponente gesteuert wird, um den Gesamtdruck in der Kammer im wesentlichen konstant zu halten.

26. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei das Reaktivgas Sauerstoff ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Kammer eine Sputterkammer ist und zumindest eine Quelle eine Sputterquelle ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei zumindest eine Sputterquelle eine Hochleistungssputterquelle ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei außerdem Mittel zum Steuern der Sputterrate vorgesehen sind.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei diese weiterhin einen Speicher zum Abspeichern der Durchflußra­ te des Gases am Ende jedes Ablagerungsabschnittes jeder Schicht auf­ weist zur Verwendung zu Beginn des entsprechenden Abschnittes der nächsten nachfolgenden Schicht des gleichen Materialtyps.

31. Vorrichtung zur Ablagerung einer komplexen Mehrfachbeschichtung auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine Sputterkammer zum Aufnehmen des Substrats;
Mittel zum Überwachen des Sputterverfahrens und zum Steuern zumin­ dest einer Prozeßvariable in Echtzeit, um jede Schicht mit den ge­ wünschten Charakteristiken zu versehen; und
Mittel zum Einstellen zumindest einer Prozeßsteuervariable in Abhängig­ keit von gespeicherten Daten, um eine Schicht mit gewünschten Charak­ teristiken zu erhalten, wobei die Einstellmittel die zumindest eine Pro­ zeßvariable am Beginn jedes Ablagerungsabschnittes jeder Schicht ein­ stellen, mit Ausnahme der ersten Schicht ihres Materialtyps, um sie an den Wert der Prozeßvariablen am Ende das entsprechenden Ablage­ rungsabschnittes der vorherigen Schicht des gleichen Materialtyps an­ zupassen.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Prozeßsteuervariable die Durchflußrate einer reaktiven Kom­ ponente der gesputterten Schicht ist, und wobei das Überwachungsmittel diese Durchflußrate steuert, um einen gewünschten Druck in der Sput­ terkammer aufrechtzuerhalten.

33. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei jeder Ablagerungsabschnitt einem vorgegebenen Energiewert ent­ spricht.

34. Vorrichtung zur Ablagerung einer komplexen Mehrfachbeschichtung auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei die Vorrichtung umfaßt:
Eine Sputterkammer zum Aufnehmen des Substrats;
Mittel zum Überwachen des Sputterverfahrens und zum Steuern zumin­ dest einer Prozeßvariable in Echtzeit, um jede Schicht mit den ge­ wünschten Charakteristiken zu versehen; und
Mittel zum Steuern der Ablagerungsrate jeder Schicht, wobei die Ablage­ rungssteuermittel derart programmiert sind, daß jede Schicht mit einer hohen Durchsatzrate während einer Anfangsperiode und mit einer nied­ rigen Durchsatzrate während einer Endperiode abgelagert werden.