DE19917543A1 - System für optische Beschichtungen, die eine verbesserte Dickengenauigkeit aufweisen, und Betriebsverfahren dafür - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung sieht ein System für eine optische Präzisionsbeschichtung von Substraten und ein Verfahren zum Betrieb des Systems vor. Das System weist eine Vakuumkammer, eine Plasmaquelle in der Vakuumkammer, eine Vielzahl von Elektronenstrahl-Verdampfungseinheiten, die einen Dampf aus optischem Beschichtungsmaterial in der Vakuumkammer erzeugen, und eine Vielzahl von Stationen auf, wobei jede Station ein Substrat hält und das Substrat während der Abscheidung des optischen Beschichtungsmaterials auf dem Substrat dreht. Jede der Stationen weist eine optische Überwachungseinheit auf, welche die Abscheidung des optischen Beschichtungsmaterials auf dem zugeordneten Substrat vor Ort überwacht. Mit dem beschriebenen System können hohe Produktionsraten an optischen Präzisionselementen, wie beispielsweise optischen Schmalbandpaßfiltern erreicht werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausrüstung für optische Be­ schichtungen und insbesondere Systeme zur Abscheidung optischer Be­ schichtungen auf optischen Substraten mit sehr genauen und gesteuerten Dicken.

Viele optische Elemente sind typischerweise mit optischen Dünnfilmbe­ schichtungen bedeckt, um entweder das Durchlaßvermögen oder das Re­ flexionsvermögen von Licht durch die Elemente zu erhöhen und damit die Leistungsfähigkeit der Elemente zu steigern. Sogar die Linsen der meisten Brillen besitzen optische Beschichtungen für eine bessere Sicht. Aufgrund der Eigenschaften von Licht sollte die Dicke der Beschichtungen genau und gleichförmig sein.

Systeme für optische Beschichtungen betreffen eine Vielzahl von Techni­ ken, wie beispielsweise Sputtern (z. B. HF) und Verdampfung (z. B. Wider­ standserwärmung, Elektronenstrahl-Erwärmung, HF-Induktions­ erwärmung) abhängig von den Anforderungen des Beschichtungsprozes­ ses. Wenn eine Produktion mit großem Volumen benötigt wird, kann das Beschichtungssystem mit einer Technik arbeiten, die für eine große An­ zahl von Substraten geeignet ist. Wenn Genauigkeit erforderlich ist, ar­ beitet das System mit einer Technik, durch welche der Beschichtungspro­ zeß vorsichtig gesteuert und zuverlässig vervielfältigt werden kann. Bisher haben Systeme für optische Beschichtungen, die für große Volumen ge­ eignet sind, keine hohe Genauigkeit erbracht, noch ist das Umgekehrte zugetroffen.

Ein optisches Element, das äußerst genaue und gesteuerte optische Be­ schichtungen erfordert, ist das mehrfach beschichtete Schmalbandpaßfil­ ter, daß für das WDM-(Wavelength Division Multiplexing)-Netzwerk oder das neuere Dense WDM-(Dense Wavelength Division Multiplexing)-Netz­ werk geeignet ist. Bei derartigen faseroptischen Netzwerken lenkt die Wellenlänge eines Lichtsignales das Signal von einer Quelle in Richtung zu einem oder mehreren Zielen. Durch den DWDM-Netzwerkstandard besit­ zen Kommunikationskanäle eine Wellenlängentrennung von lediglich 0,8 nm (oder eine Frequenztrennung von 100 GHz). Daher muß ein Wellen­ längenfilter sehr stark selektiv sein. Für ein Schmalbandpaßfilter, der durch Mehrfachbeschichtungen auf einem Substrat gebildet ist, sind die Herstellungsanforderungen sehr streng. Derartige Filter besitzen typi­ scherweise Beschichtungen aus 85-125 Lagen mit minimalen Abwei­ chungen in der Dickeverteilung für jede Lage. Erwartungsgemäß sind die Kosten für diese Elemente ziemlich hoch, nämlich gegenwärtig gut über 100 US-Dollar pro Filterelement. Für ein faseroptisches Netzwerk mit Hunderten, wenn nicht Tausenden an WDM-Kopplungsvorrichtungen, wobei jede einen solchen Filter als eine Komponente aufweist, sind die Ko­ sten dieser Kopplungsvorrichtungen alleine sehr hoch. Daher ist es er­ wünscht, daß die Kosten zur Herstellung von präzisionsbeschichteten op­ tischen Elementen, wie beispielsweise Schmalbandpaßfilter, Rugate-Filter, dichroitische Filter und dergleichen gesenkt werden.

Zu diesem Zweck ist die vorliegende Erfindung auf Systeme für optische Beschichtungen mit verbesserter Genauigkeit und auf Betriebsverfahren gerichtet, die für die Produktion von Volumen geeignet sind, die wesent­ lich größer als bisher sind. Ferner sieht die vorliegende Erfindung auch Verbesserungen bei der Steuerung und Genauigkeit der Abscheidung der optischen Beschichtungen für eine verbesserte optische Leistungsfähigkeit der resultierenden optischen Elemente vor.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung sieht ein System für die präzise optische Be­ schichtung von Substraten vor. Das System besitzt eine Vakuumkammer, zumindest eine Quelle für optisches Beschichtungsmaterial, die einen Dampf des optischen Beschichtungsmaterials in der Vakuumkammer er­ zeugt, und eine Vielzahl von Stationen, wobei jede Station ein Substrat hält und das Substrat während der Abscheidung des optischen Be­ schichtungsmaterials von dem Dampf auf das Substrat dreht. Jede der Stationen besitzt eine optische Überwachungseinheit, die die Abscheidung des optischen Beschichtungsmaterials auf dem zugeordneten Substrat überwacht. Die optische Überwachungseinheit umfaßt eine Lichtquelle, wobei das Licht unter einem Einfallswinkel von Null zu der Substratober­ fläche auf einen kleinen Abschnitt der Substratoberfläche gerichtet wird, und einen Empfänger für das gerichtete Licht. Das Substrat ist zwischen der Lichtquelle und dem Empfänger angeordnet, so daß der Empfänger das Licht während der Abscheidung des optischen Beschichtungsmateri­ ales auf dem zugeordneten Substrat für eine Vor-Ort-Überwachung des Abscheidungsprozesses aufnimmt.

Ferner sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Systems für optische Beschichtungen vor, das eine Vakuumkammer, zu­ mindest eine Quelle mit einem Target aus optischem Beschichtungsmate­ rial, eine Vielzahl von Substrathaltestationen und eine Vielzahl von opti­ schen Überwachungseinheiten, die mit jeder der Stationen in Verbindung stehen, aufweist. Das Verfahren weist die Schritte auf, daß ein Substrat in jede Station geladen wird; auf jede Station eingewirkt wird, um ein zuge­ ordnet es Substrat zu drehen; auf die Quelle eingewirkt wird, um einen Dampf von einem Target aus dem optischen Beschichtungsmaterial zu er­ zeugen und auf den sich drehenden Substraten abzuscheiden; die Ab­ scheidung des Beschichtungsmateriales auf jedem Substrat überwacht wird; die Abscheidung des Beschichtungsmateriales auf jedem Substrat unabhängig beendet wird, wenn das Beschichtungsmaterial eine vorbe­ stimmte Dicke auf dem Substrat erreicht; bestimmt wird, wenn die Be­ schichtungsmaterialien auf allen Substraten ihre vorbestimmten Dicken erreicht haben; und die Schritte zum Einwirken auf die Quelle, zum Überwachen der Abscheidung, zum unabhängigen Beenden und zur Be­ stimmung der Beschichtungsmaterialdicke mit einem anderen optischen Beschichtungsmaterial wiederholt werden.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG

Fig. 1 ist eine repräsentative Schnittansicht einer Vakuumkammer eines Systems für optische Beschichtungen nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ist eine detaillierte Ansicht der Lichtüberwachungseinheit der Vakuumkammer von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine repräsentative Schnittansicht einer Vakuumkammer eines Systems für optische Beschichtungen gemäß der vorlie­ genden Erfindung;

Fig. 4A ist eine detailliertere schematische Ansicht einer Substrat­ haltestation des Systems für optische Beschichtungen von Fig. 3; Fig. 4B ist eine detaillierte Ansicht der Anordnung der Drehlager in der Substrathaltestation von Fig. 4;

Fig. 5 ist eine repräsentative Ansicht des Systems für optische Be­ schichtungen von Fig. 3, das Steuer-und Lichtüberwachungs­ untersysteme umfaßt; und

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm betreffend Betriebsarten des Systems für optische Beschichtungen von Fig. 3.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 veranschaulicht die Anordnung eines Typs eines modernen Hochlei­ stungssystems für optische Beschichtungen, ein plasmaunterstütztes Elektronenstrahl-Verdampfungssystem für optische Beschichtungen. Das System weist eine Vakuumkammer 10 mit einer Basis 13 auf der eine Plasmaquelle 11 nahe dem Zentrum der Basis 13 und eine Vielzahl von Elektronenstrahl-Verdampfungseinheiten 12 um den Umfang der Basis 13 befestigt sind. Eine Linie 18 zeigt die Mittelachse der Kammer 10. Jede Elektronenstrahl-Verdampfungseinheit 12 besitzt ein Target 21 aus festem optischem Beschichtungsmaterial, wie beispielsweise Ta₂O₅ und SiO₂, in einem Schmelztiegel 22. Während des Betriebes erzeugt jede Einheit 12 einen Elektronenstrahl 24, der auf das Target 21 magnetisch abgelenkt wird, um damit zu bewirken, daß optisches Material in einem Dampf "aufkocht". Das Material scheidet sich schließlich selbst an den Seiten 14 und dem oberen Teil 15 der Vakuumkammer 10 ab. Das Plasma von der Quelle 11 schafft Energie für den Beschichtungsmaterialdampf für eine festere Abscheidung, d. h. eine höhere Packungsdichte, des Beschich­ tungsmateriales von dem Dampf auf einem Substrat. Die schattierten Be­ reiche in Fig. 1 veranschaulichen die allgemeine Verteilung des Dampfs aus optischem Material von den Elektronenstrahl-Verdampfungseinheiten 12 und dem Plasma von der Plasmaquelle 11.

Eine Substrathaltestation 16 ist an dem oberen Teil 15 der Kammer 10 befestigt. Die Station 16 hält ein einzelnes Substrat 20, das beschichtet werden soll. Eine Antriebseinheit 19 in der Station 16 dreht die Spannein­ richtung, die das Substrat 20 hält, um eine gleichmäßigere Verteilung des optischen Materials über das nach unten freiliegende Substrat 20 zu er­ reichen. Ohne Drehung können Abweichungen der Dicke der optischen Beschichtung an der nach unten weisenden Oberfläche des Substrats 20 über die gesamte Oberfläche des Trägers 20 auftreten. Mit der Drehung treten die Abweichungen radialsymmetrisch um die Drehachse auf und sind somit vermindert.

Eine Lichtüberwachungseinheit 17, die detaillierter in Fig. 2 veranschau­ licht ist, bestimmt, wenn die Beschichtung die gewünschte Dicke erreicht hat. Die Überwachungseinheit 17 verwendet die Durchlaßintensität von Licht bei einer einzelnen Wellenlänge durch das Substrat 20 und die opti­ sche Beschichtung auf dem Substrat, um mit sehr hoher Genauigkeit vor Ort die Dicke der Beschichtung zu bestimmen. Eine Interferenz an den mehrfachen Grenzflächen zwischen den Lagen der abgeschiedenen Dünn­ filme auf dem Substrat 20 beeinflußt die Durchlässigkeit und Reflexion des monochromatischen Lichtes.

Ein unterer Abschnitt 17A der Einheit 17, der das Licht überträgt, ist an der Basis 13 der Kammer 10 angebracht. Dieser Abschnitt 17A weist ein Ende einer Lichtleitfaser 31 auf, die mit einer Lichtquelle (in einer nach­ folgenden Zeichnung gezeigt) verbunden ist. Das Ende der Faser 31 ist so ausgebildet, das es Licht durch eine Fokussierlinse 33 in Richtung des Substrats 20 und des oberen Teils 15 der Kammer 10 lenkt. Nachdem das Licht das Substrat 20 durchlaufen hat, wird das Licht von einem oberen Abschnitt 17B der Lichtüberwachungseinheit aufgenommen, der an dem oberen Teil der Kammer 15 angebracht ist. Dieser Abschnitt 17B weist ei­ ne Linse 34 auf, die das Licht von dem Substrat 20 auf ein Ende einer Lichtleitfaser 32 wieder fokussiert, welche das empfangene Licht zu einer Photodiode (nicht gezeigt) weiterleitet, um elektrische Signale zu erzeugen, die anzeigen, wenn die abgeschiedene Beschichtung die gewünschte Dicke erreicht hat und der Beschichtungsprozeß beendet werden kann.

Es ist herausgefunden worden, daß das in bezug auf die Fig. 1 und 2 be­ schriebene System eine äußerst genaue Steuerung der Dicken der opti­ schen Beschichtungen vorsieht. Dennoch ist die Produktion langsam; es wird jeweils nur ein Substrat beschichtet. Bei einem Schmalbandpaßfilter mit über einhundert Beschichtungen kann die Produktion eines Substra­ tes über 20 Stunden dauern.

Die vorliegende Erfindung ist auf die anscheinend gegensätzlichen Anfor­ derungen für ein hochproduktives System für optische Beschichtungen und ein System mit präzisen und gesteuerten Dicken von optischen Be­ schichtungen gerichtet. Eine Vakuumkammer 40 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Die Kammer 40 ist ähnlich zu der in Fig. 1 gezeigten Kammer 10. Die Basis 43 weist eine Plasmaquelle 41 nahe dem Zentrum der Basis 43 und eine Vielzahl von Elektronenstrahl-Ver­ dampfungseinheiten 42 auf, die um den kreisförmigen Umfang der Ba­ sis 43 angeordnet sind. Anstelle einer einzelnen Substrathaltestation ist eine Vielzahl von Neben-Substrathaltestationen 46 um das obere Teil 45 der Kammer 40 befestigt, wobei eine einzelne Hauptstation 46C an dem Zentrum des oberen Teiles 45 vorgesehen ist. Die Nebenstationen 46 sind in bezug auf die Elektronenstrahl-Verdampfungseinheiten 42 so angeord­ net, daß die Substrate 20, die in diesen Stationen gehalten sind, Be­ schichtungsmaterial schneller als das Substrat in der zentralen Haupt­ station 46C aufnehmen.

Jede Nebenstation 46, jedoch nicht die Hauptstation 46C, besitzt einen Eine Blende 66, der, wenn er geschlossen ist, verhindert, daß das Be­ schichtungsmaterial das von der Station 46 gehaltene Substrat 20 errei­ chen kann. Ein Aktuator 67 in jeder Station 46 sieht die Triebkraft vor, um die zugeordnete Blende 66 zu bewegen. Die Blende 66 ermöglicht eine stationsspezifische Steuerung der Abscheidungsdicke des Beschich­ tungsmaterials.

In Verbindung mit jeder Neben-Substrathaltestation 46 steht eine Ne­ ben-Lichtüberwachungseinheit 47, um vor Ort die Beschichtungsmaterialdic­ ken auf ihrem zugeordneten Substrat 20 zu überwachen. Die Haupt-Sub­ strathaltestation 46C weist eine Haupt-Lichtüberwachungseinheit 47C auf. Jede Überwachungseinheit 47 (einschließlich der Haupt-Überwach­ ungseinheit 47C) besitzt zwei Teile 47A und 47B. Jedes untere Teil 47A, das an der Basis 43 der Kammer 40 befestigt ist, lenkt Licht auf das Substrat 20 seiner zugeordneten Haltestation 46, 46C. Das Licht verläuft durch das Substrat 20 und wird durch den oberen Abschnitt 47B der Lichtüberwachungseinheit und in einer Lichtleitfaser 92 aufgenommen, die mit einer Steuereinheit, die unten beschrieben ist, verbunden ist.

Fig. 4A stellt einen repräsentativen Querschnitt und eine detailliertere An­ sicht einer Substrathaltestation 46 (und 46C) dar. Eine Spanneinrichtung 50, die das Substrat 20 hält, ist an einem Ende einer Hohlwelle 51 befe­ stigt. Eine Lagerbaugruppe 57 ermöglicht, daß sich die Welle 51 in bezug auf die feststehenden Teile der Substrathaltestation 46, 46C drehen kann. Das andere Ende der Welle 51 endet in einem großen Zahnrad 52, das durch ein kleines Antriebszahnrad 53 angetrieben wird. Das Antriebs­ zahnrad 53 ist über eine Antriebswelle 54 mit einem Motor 56 verbunden. Der Motor 56 ist außerhalb der oberen Wand 60 der Kammer 40 vorgese­ hen und eine Durchführung 55 sieht einen vakuumdichten Zugang für die Antriebswelle 54 vor. Die Mittelachse der Haltestation 46 ist so konstru­ iert, daß sie einen Durchgang von Licht für die Überwachungseinheit 47 zuläßt. Das Zentrum der Spanneinrichtung 50 ist offen, wie auch das der Welle 51. Die obere Wand 60 besitzt eine Öffnung, die an dieser Achse ausgerichtet ist, und das Vakuum in der Kammer 40 wird durch eine transparente Dichtung 61 über der Öffnung geschützt. Licht von der unte­ ren Überwachungseinheit 47A verläuft durch die Fokussierwirkung einer Linse 62 durch das Substrat 20, die Welle 51 und die Dichtung 61 in die Lichtleitfaser 92.

Die Anordnung der Lichtüberwachungseinheit 47 in bezug auf ihre zuge­ ordnete Substrathaltestation 46,46C stellt eine der vielen Verbesserungen dar, die durchgeführt wurden, um den strengen Herstellungsanforderun­ gen für ein optisches Element, wie beispielsweise ein Schmalbandpaßfil­ ter, gemäß der vorliegenden Erfindung gerecht zu werden.

Erstens wird, während andere Arten von Quellen, wie beispielsweise La­ serdioden, LEDs, erbiumdotierte Faserverstärker, als eine Lichtquelle ver­ wendet werden können, eine herkömmliche Halogenlampe aufgrund ihrer Leistungsstabilität, ihrer Polarisationseigenschaften und der kurzen Kohä­ renzlänge verwendet. Ein Monochromator schmälert die Wellenlängen­ bandbreite, die für die genaue Bestimmung der Beschichtungsdicke erfor­ derlich ist. Mit der beschriebenen Lichtquelle kann eine Wellenlängen­ bandbreite von 0,2 nm ohne Verminderung der Genauigkeit der Durchläs­ sigkeitsmessung durch das Substrat 20 erzielt werden.

Zweitens wird die wirksame Wellenlängenbandbreite der Lichtüberwa­ chungseinheit 47 durch die nicht gleichförmige Dicke der optischen Be­ schichtung innerhalb des Überwachungslichtpunktes auf dem Substrat 20 nachteilig beeinflußt. Die Pfeile 35 definieren beispielsweise einen Überwachungspunkt auf dem Substrat in Fig. 2. Wenn die Ungleichför­ migkeit der Dicke der optischen Beschichtung zu einer Bandbreite von 0,1 nm pro jedem Millimeter über das Substrat führt, erzielt ein Überwa­ chungslichtpunkt mit einem Durchmesser von 2 mm infolge der Dicken­ ungleichförmigkeit eine wirksame Bandbreite von 0,2 nm. Daher wird ein kleiner Überwachungslichtpunkt auf dem Substrat 20 verwendet, um die Bandbreite, die durch die ungleichförmige Dicke bewirkt wurde, zu verrin­ gern.

Drittens spannt, da Licht von der unteren Überwachungseinheit 47A fo­ kussiert wird, um einen kleinen Überwachungspunkt auf dem Substrat 20 zu erzielen, das Licht, das auf die Oberfläche des Substrats 20 einfällt, ei­ nen kleinen Bereich auf, gewöhnlich 1 bis 2 Grad (durch den Bogen 36 in Fig. 2 gezeigt). Wenn der Durchschnittseinfallswinkel nicht Null ist, wie beispielsweise bei der Anordnung von Fig. 2, wird eine relativ große wirk­ same Bandbreite infolge der variierenden Winkel erzeugt, unter denen sich das Licht dem Substrat 20 annähert. Beispielsweise besitzt ein Durch­ schnittseinfallswinkel von 5 Grad mit einer Einfallswinkelspanne von 1 Grad eine wirksame Bandbreite von größer als 0,5 nm. Diese Linienbreite vermindert sich auf weniger als 0,2 nm, wenn der Durchschnittseinfalls­ winkel Null ist, d. h. das Licht im Durchschnitt normal zu dem Substrat 20 ist, wie in der Überwachungseinheit 47.

Somit arbeitet jede Überwachungseinheit 47 (und 47C) mit einer wirksa­ men Lichtquelle, einer minimierten Überwachungspunktgröße und der Durchschnittseinfallswinkel ist normal zu dem Substrat 20.

Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Drehung des Substrates 20 an jeder Haltestation 46 und 46C mit Geschwindigkeiten, die wesentlich größer sind, als bei vorher bekannten Systemen für opti­ sche Beschichtungen. Höhere Umdrehungsgeschwindigkeiten im Bereich von 600 bis 1200 rpm (Umdrehungen pro Minute) verbessern die Dicke­ verteilung der Beschichtungen über das Substrat 20. Es ist zu verstehen, daß die Umdrehung die Dickeverteilung an dem Substrat 20 radial mittelt und eine vollständige Umdrehung eine perfekte Mittelung ausführt. Wenn die Beschichtung jeder Lage an dem Substrat 20 bei vollständigen Um­ drehungen beendet wird, dann ist ein Einfluß der Umdrehungsgeschwin­ digkeit auf die Dickeverteilung vermieden. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall und eine Beschichtung wird nicht bei vollständigen Umdre­ hungen beendet. Höhere Drehgeschwindigkeiten vermindern diesen Ef­ fekt.

Ein anderer Nutzen von höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten ist eine Verbesserung der Stabilität der Signalpegel des Überwachungslichtes. In den unterschiedlichen Abstufungen bestehen stets Schwankungen in dem Lichtsignal, die durch Vibration und Schwanken des sich drehenden Substrates 20 bewirkt werden. Die Hochgeschwindigkeitsumdrehungen mitteln die Signalpegel und unterstützen eine Stabilisierung des Lichtsi­ gnales.

Die Erzielung von höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten ist nicht ein­ fach eine Angelegenheit der Erhöhung der Drehung einer Antriebseinheit (z. B. der Antriebseinheit 19 in Fig. 3). Infolge der Empfindlichkeit des Be­ schichtungsprozesses ist eine Stabilität der Substrate 20 bei einer Hoch­ geschwindigkeitsumdrehung sehr wichtig. Spezielle Lageranordnungen und Kühlungen für die Neben- und Haupt-Substrathaltestationen 46 und 46C ermöglichen Umdrehungen mit hohen Geschwindigkeiten mit der für einen Prozeß für optische Beschichtungen erforderlichen Stabilität. In Fig. 4A ist eine Lagerbaugruppe 57 symbolisch in obere und untere Teile ge­ trennt dargestellt, um ein Paar Kugellager zu zeigen.

Die detaillierte Anordnung des Lageraufbaues 57 ist in Fig. 4B gezeigt. Die Antriebswelle 51 ist in einem Gehäuse 59 durch ein Paar von Winkelkon­ taktkugellagern 64 und 66 gelagert. Die Kugellager 64, 66 stehen jeweils mit Außenschalen 68, 69, die in bezug auf das feststehende Gehäuse 59 fixiert sind, und Innenschalen 28, 29 in Eingriff, die in bezug auf die Drehwelle 51 fixiert sind. Die Außenschale 68 ist aufwärts abgewinkelt, wie durch die gestrichelte Linie 65 gezeigt ist; die Außenschale 69 ist ab­ wärts abgewinkelt, wie durch die gestrichelte Linie 67 gezeigt ist. Die Win­ kelkontaktkugellager 64, 66 werden bei dieser antiparallelen Anordnung so verwendet, daß sie kombinierte Schwingungen in Axial-, Stoß- und Moment-Belastungen angleichen können. Die antiparallele Anordnung weist auch eine bessere Wellensteifigkeit auf.

Zusätzlich ist es aufgrund der Hochgeschwindigkeitsumgebung erforder­ lich, die Lager 66, 68 gekühlt zu halten. Dies wird durch die Verwendung von Kühlmittelkanälen 58 erreicht, die eng mit dem Gehäuse 59 nahe den Lagern 64, 66 verbunden sind. Es werden auch Wärmeabschirmungen 30 verwendet, um eine Beibehaltung der Temperatur der Lager 64, 66 auf ei­ nem vernünftigen Niveau zu unterstützen.

Fig. 5 veranschaulicht die Steuerungsorganisation des Beschichtungssy­ stems gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei einer Ausführungsform be­ sitzt die Steuerungsorganisation einen faseroptischen Schalter 90, eine elektrooptische Analyseeinheit 70 und eine Steuereinheit 80. Wie der Na­ me sagt, arbeitet der faseroptische Schalter 90 als ein Schaltpunkt opti­ scher Signale zwischen der Vakuumkammer 40 und der elektrooptischen Analyseeinheit 70. Die Einheit 70 arbeitet ihrerseits als eine Schnittstelle zwischen optischen Signalen für die Vakuumkammer 40 und den elektri­ schen Signalen für die Steuereinheit 80.

Der faseroptische Schalter 90 ist durch zwei Lichtleitfasern 91 und 92 mit jeder Neben- und Haupt-Lichtüberwachungseinheit 47, 47C in der Kam­ mer 40 verbunden. Die Lichtleitfaser 91 trägt Licht von einer Lichtquelle zu dem unteren Abschnitt 47A und die Lichtleitfaser trägt Licht von dem oberen Abschnitt 47B zur Detektion und Analyse. Der Schalter 90 ist durch Lichtleitfasern 93 und 94 mit der elektrooptischen Analyseeinheit 70 verbunden. Die Lichtleitfaser 94 trägt Licht von der Einheit 70 zu dem Schalter 90 und die Lichtleitfaser 93 trägt Licht von dem Schalter 90 zu der Einheit 70. Ein beispielhafter faseroptischer Schalter, der verwendet werden könnte, ist in dem US-Patent Nr. 5, 359,683 beschrieben, das am 25. Oktober 1994 erteilt und auf den Anmelder der vorliegenden Erfin­ dung übertragen wurde. Faseroptische Schalter können auch aus ver­ schiedenen kommerziellen Quellen bezogen werden.

Die elektrooptische Analyseeinheit 70 weist eine Lichtquelle 86, eine her­ kömmliche Halogenlampe, zwischen zwei Rotoren 88 und 89 auf, die durch einen Zerhackermotor 77 angetrieben werden. Die Rotoren 88, 89 besitzen Schlitze, die Licht durchlassen. Ansonsten wird das Licht bloc­ kiert. Eine Linsenbaugruppe 79 ist mit der Lichtleitfaser 94 verbunden, um Licht von der Quelle 86 in die Faser 94 zu fokussieren. Eine zweite Linsenbaugruppe 78 ist mit einem Abschnitt der Lichtleitfaser verbunden, die ihrerseits mit einem Monochromator 75 verbunden ist. Das Ende der Lichtleitfaser 93 ist auch mit dem Monochromator 75 verbunden, der durch einen Schrittmotor 76 gesteuert ist, um die Wellenlängenbandbreite des Lichtes, das durch die Faser 93 empfangen wird, zu schmälern. Der Ausgang des Monochromators 75 wird durch eine Photodiode 74 aufge­ nommen, die mit dem Eingangsanschluß eines Verstärkers 73 mit varia­ bler Verstärkung verbunden ist, der auf einen Verstärkungsschalter 72 anspricht. Der Ausgang des Verstärkers 73 ist mit einer Signalverarbei­ tungselektronikeinheit 71 verbunden, deren Ausgang mit der Steuerein­ heit 80 verbunden ist, welche den Betrieb der elektrooptischen Analyse­ einheit 70 steuert.

Der Betrieb der Rotoren 88, 89 und des Zerhackermotors 77 ist so gestal­ tet, daß in einem Zeitintervall Licht zu der Linsenbaugruppe 79 und der Lichtleitfaser 94 zu einer Lichtüberwachungseinheit 47, 47C gesandt wird. Nach dem Verlauf durch das zugeordnete Substrat 20 und den abgeschie­ denen Film bzw. die abgeschiedenen Filme verläuft das Licht durch die Lichtleitfaser 93 zu dem Monochromator 75 und der Photodiode 74. In ei­ nem zweiten Zeitintervall wird Licht zu der Linsenbaugruppe 79 blockiert. Licht wird zu der Linsenbaugruppe 78 gesandt und der Photodetektor 74 empfängt ein Referenzlichtsignal. In einem dritten Intervall empfängt kei­ ne der Baugruppen 78, 79 Licht von der Quelle 86. Der Photodetektor 74 erzeugt Dunkelrauschen. Dieser Betrieb ermöglicht eine Kalibrierung und eine Rauschentfernung für die Signale von den Lichtüberwachungsein­ heiten 47 für eine genaue und stabile Messung des Durchlaßvermögens. Selbstverständlich sind andere Anordnungen möglich.

Die Steuereinheit 80 besitzt einen Mikroprozessor 81, der die Ausgangs­ signale von der Elektronikeinheit 71 annimmt und den Verstärkungs­ schalter 72 und den Schrittmotor 76 steuert. Die Steuerung des Verstär­ kungsschalters 72 wird dazu verwendet, die Änderung des Ausgangs­ signales von der Photodiode 74 in den verschiedenen Stufen des Be­ schichtungsprozesses zu kompensieren. Der Mikroprozessor 81 steht mit Bedienungspersonen über eine Anzeige und eine Steuertafel 82 in Wech­ selwirkung und kommuniziert mit anderen Computern, wie beispielsweise einem Hauptcomputer, über einen seriellen I/O-Anschluß 83 und einen einen parallelen I/O-Anschluß 84. Der Mikroprozessor 81 weist auch ei­ nen Ausgangsanschluß 85 für eine Aufzeichnungseinrichtung auf, so daß die Daten aller Beschichtungsvorgänge für eine spätere Bearbeitung auf­ gezeichnet werden können.

Der Mikroprozessor steuert auch den Betrieb des faseroptischen Schalters 90, so daß Licht von der elektrooptischen Analyseeinheit 70 nacheinander an jede der Lichtüberwachungseinheiten 47 gesandt und von diesen empfangen wird. Wenn der Mikroprozessor 81 bestimmt, daß die Dicke der optischen Beschichtung auf einem bestimmten Substrat 20 ausrei­ chend ist, wirkt der Mikroprozessor auf den Aktuator 67 der betreffenden Substrathaltestation 46 ein, um die zugeordnete Blende 66 zu schließen. Es wird kein Beschichtungsmaterial mehr auf diesem Substrat 20 abge­ schieden. Aufgrund der Anordnung der Zentralstation 46C ist die Ab­ scheidungsbeschichtung ihres Substrates 20 die letzte, die beendet wird. Anstatt der Betätigung einer Blende 66 sendet der Mikroprozessor 81 ein Signal zu dem Hauptcomputer der Beschichtungsmaschine, um die Ab­ scheidungsbeschichtung dieser Lage zu beenden. Dann beginnt eine neue Beschichtungslage. Wenn alle Lagen beendet sind, dann wird der Be­ schichtungsprozeß beendet.

Eine alternative Steueranordnung beseitigt den faseroptischen Schalter 90, wobei die Lichtleitfaser 94 mit der Faser 91 und die Faser 92 mit der Faser 93 verbunden ist. Jede Substrathaltestation 46, 46C und Licht­ überwachungseinheit 47, 47C weist ihre eigene elektrooptische Analyse­ einheit 70 und eine Steuereinheit 80 auf. Die Gesamtsteuerung wird durch einen Hauptcomputer ausgeführt, der mit jeder der Steuereinheiten 80 verbunden ist. Die alternative Steueranordnung berücksichtigt, wäh­ rend sie teurer ist, daß die Möglichkeit besteht, daß ein faseroptischer Schalter 90 eine Einfügungsverluständerung beim Schalten zwischen den Lichtüberwachungseinheiten 47, 47C erzeugen kann. Wenn die Einfü­ gungsverluständerung in der Größenordnung von 0,01 dB liegt, erzeugt dies einen Übertragungsmeßfehler von 0,3%, der für kritische optische Elemente zu groß ist, wie beispielsweise für den Schmalbandpaßfilter. Ohne einen faseroptischen Schalter wird ein Übertragungsmeßfehler von weniger als 0,05% erwartet.

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm der Betriebsvorgänge des Systems für opti­ sche Beschichtungen von Fig. 3. Nach dem Startschritt 100 werden die Substrate bei Schritt 101 in ihre Substrathaltestationen 46, 46C geladen. Dann wird durch Schritt 102 ein Vakuum in der Kammer 40 erzeugt; Schritt 103 erhöht die Temperatur in der Kammer 40, um Feuchtigkeit und andere Unreinheiten auszubacken. Dieser Schritt kann durch Wider­ standsheizelemente um die Kammer 40 herum ausgeführt werden. Die Drehung der Substrate wird gestartet. Die Plasmaeinheit 71 wird durch den Schritt 104 angeschaltet und die Vorbehandlung des Beschichtungs­ materiales beginnt. Bei Schritt 105 werden neue Lagenparameter für die abzuscheidende Lage wirksam. Bei der Ausführungsform der alternativen Steuerungsorganisation werden die neuen Parameter für jede der opti­ schen Überwachungseinheiten 47, 47C an die Steuereinheiten 80 gesandt. Schritt 106 öffnet die Blenden 66 für die Neben-Substrathaltestationen 46, während von der optischen Hauptüberwachungseinheit 47C ein Be­ reit-Signal abgewartet wird. Dann startet der Schritt 108 eine Elektronen­ strahl-Verdampfungseinheit 42 und die Schritte 109 und 111 werden gleichzeitig gestartet, d. h. die optischen Nebenüberwachungseinheiten 47 und die optische Hauptüberwachungseinheit 47C überprüfen, ob die er­ wünschte Dicke der abgeschiedenen optischen Lage auf dem zugeordneten Substrat 20 erreicht worden ist. Diese Schritte, die als einzelne Schritte 109 und 111 gezeigt sind, werden tatsächlich in Überwachungsschleifen ausgeführt. Wenn die erwünschte Dicke erreicht ist, wird die zugeordnete Blende 66 der Neben-Substrathaltestation 46 durch Schritt 110 geschlos­ sen. Wie vorher erwähnt wurde, ist die erwünschte Dicke der Haupt-Sub­ strathaltestation 46C die letzte, die erreicht wird. Schritt 112 stoppt die Elektronenstrahl-Verdampfungseinheit 42. Ein Entscheidungsschritt 113 bestimmt, ob die abgeschiedene optische Lage die letzte Lage ist. Wenn nicht, dann werden die Schritte 105-113 für die Abscheidung einer weiteren Lage wiederholt. Wenn die letzte Lage erreicht worden ist, wird durch Schritt 114 eine Abschaltfolge gestartet.

Um den zwingenden Anforderungen der Dickegleichförmigkeit von einer abgeschiedenen Lage zu der nächsten gerecht zu werden, sollte das Elek­ tronenstrahl-Target bei Beginn jedes Lagenabscheidungsprozesses frisch sein, d. h. es sollte vorher nicht verwendet worden sein. Diese Gleichför­ migkeit in dem Target für jede Lage stellt eine Gleichförmigkeit der Ab­ scheidung von Lage zu Lage sicher. Dies kann durch Austausch des Tar­ gets ausgeführt werden, nachdem jeder Abscheidungsprozeß beendet ist, wenn nur eine Elektronenstrahl-Verdampfungseinheit 42 verwendet wird. Wenn mehr als eine Elektronenstrahl-Verdampfungseinheit 42 verwendet wird, kann eine zweite Einheit mit einem frischen Target für die nächste Abscheidungslage verwendet werden. Alternativ dazu kann, wenn die Elektronenstrahlverdampfungseinheit vom Karussell-Typ mit vielen Tar­ gets ist, das Karussell gedreht werden, um bei Beginn jedes Abschei­ dungslagenzyklus ein frisches Target anbieten zu können.

Das Resultat ist, daß die vorliegende Erfindung ein System für optische Beschichtungen für große Volumen mit einer Genauigkeitssteuerung be­ treffend die Dicken von optischen Beschichtungen vorsieht.

Während die obige Beschreibung eine vollständige und komplette Offenba­ rung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt, sind Fachleuten verschiedene Modifikationen, alternative Kon­ struktionen und Äquivalente offensichtlich. Beispielsweise wäre es mög­ lich, daß, während die spezifische Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung mit plasmaunterstützten Elektronenstrahl-Verdampfungs­ einheiten als Beschichtungsmaterialquellen beschrieben wurde, auch an­ dere Typen von Verdampfungseinheiten und Sputtereinheiten verwendet werden können. Somit ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ausschließlich durch die angefügten Ansprüche begrenzt.

Claims (15)

1. System für große Volumen zum Präzisionsbeschichten von Substraten, um optische Elemente zu bilden, wobei das System umfaßt:
eine Vakuumkammer;
zumindest eine Quelle für optisches Beschichtungsmaterial zur Er­ zeugung eines Beschichtungsmaterialdampfes zur Abscheidung;
eine Vielzahl von Stationen, wobei jede Station ein Substrat hält und dreht, um das optische Beschichtungsmaterial durch Abschei­ dung des Beschichtungsmaterialdampfes von der Quelle für opti­ sches Beschichtungsmaterial aufzunehmen; und
eine Vielzahl von optischen Überwachungseinheiten, wobei jede op­ tische Überwachungseinheit einer der Stationen zur Überwachung der Abscheidung des Beschichtungsmateriales auf dem zugeordne­ ten Substrat zugeordnet ist.

2. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 1, wobei jede optische Überwachungseinheit umfaßt:
eine Quelle für Licht, das auf einen kleinen Abschnitt einer Oberflä­ che des Substrates der zugeordneten Station gerichtet ist; und
einen Empfänger für das gerichtete Licht, wobei das Substrat zwi­ schen der Lichtquelle und dem Empfänger so angeordnet ist, daß der Empfänger das Licht während der Abscheidung des optischen Beschichtungsmateriales auf dem zugeordneten Substrat empfängt.

3. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 2, wobei die Lichtquelle Licht unter einem gemittelten Einfallswinkel von Null auf die Oberfläche des Substrates richtet, auf der die Beschichtung ab­ geschieden wird.

4. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 3, wobei die Lichtquelle eine erste Lichtleitfaser und eine erste Linse umfaßt, die Licht von einem Ende der ersten Lichtleitfaser auf die Oberfläche des Substrates fokussiert; und der Empfänger eine zweite Lichtleit­ faser und eine zweite Linse umfaßt, die das gerichtete Licht von dem Substrat auf ein Ende der zweiten Lichtleitfaser fokussiert.

5. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 1, wobei zu­ mindest eine Station eine Einrichtung zum Stoppen der Abschei­ dung des Beschichtungsmateriales auf dem zugeordneten Substrat umfaßt, wobei die Stoppeinrichtung auf einen Ausgang der zuge­ ordneten optischen Überwachungseinheit anspricht.

6. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 5, wobei die Stoppeinrichtung eine Blende umfaßt, die verhindert, daß das Be­ schichtungsmaterial das Substrat erreicht.

7. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Quelle für optisches Beschichtungsmaterial eine Sputterquelle um­ faßt.

8. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Quelle für optisches Beschichtungsmaterial eine Verdampfungs­ quelle umfaßt.

9. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 8, wobei die Verdampfungsquelle eine plasmaunterstützte Elektronenstrahl-Ver­ dampfungsquelle umfaßt.

10. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Vakuumkammer eine Basis und ein oberes Teil umfaßt, wobei die Quelle für optisches Beschichtungsmaterial an der Basis befestigt ist und die Stationen an dem oberen Teil in bezug auf die Quelle für optisches Beschichtungsmaterial befestigt sind, so daß das optische Beschichtungsmaterial auf einem Substrat, das in einer ersten Sta­ tion gehalten ist, mit einer Rate abgeschieden wird, die niedriger ist, als eine Abscheidungsrate für optisches Material auf einem Substrat irgendeiner anderen Substratstation.

11. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 10, wobei die Vakuumkammer um eine Zentralachse rotationssymmetrisch ist und eine Vielzahl von Quellen für optisches Beschichtungsmaterial umfaßt, die um einen Umfang der Basis angeordnet sind, wobei die erste Station an der Mittelachse vorgesehen ist.

12. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 1, wobei jede Station so arbeitet, daß sich die Substrate mit Geschwindigkeiten von größer als 600 rpm drehen.

13. System zur optischen Beschichtung nach Anspruch 1, wobei jede Station so arbeitet, daß sich die Substrate mit Geschwindigkeiten im Bereich von 600 bis 1200 rpm drehen.

14. Verfahren zum Betreiben eines Systems zur optischen Beschichtung mit einer Vakuumkammer, zumindest einer Quelle, die ein Target aus optischem Beschichtungsmaterial aufweist, einer Vielzahl von Substrathaltestationen und einer Vielzahl von optischen Überwa­ chungseinheiten, die jeder der Stationen zugeordnet sind, wobei das Verfahren umfaßt, daß:
ein Substrat in jede Station geladen wird;
auf jede Station eingewirkt wird, um ein zugeordnetes Substrat zu drehen;
auf die zumindest eine Quelle eingewirkt wird, um einen Dampf von einem Target des optischen Beschichtungsmateriales zu erzeugen und diesen auf den sich drehenden Substraten abzuscheiden;
die Abscheidung des Beschichtungsmateriales auf jedem Substrat überwacht wird;
die Abscheidung des Beschichtungsmateriales auf jedem Substrat unabhängig beendet wird, wenn das Beschichtungsmaterial eine vorbestimmte Dicke auf dem Substrat erreicht; und
bestimmt wird, wenn das Beschichtungsmaterial auf allen Substra­ ten seine vorbestimmten Dicken erreicht hat;
die Schritte zum Einwirken auf die Quelle, Überwachen der Ab­ scheidung, dem unabhängigen Beenden und der Bestimmung der Beschichtungsmaterialdicke mit einem anderen optischen Be­ schichtungsmaterial wiederholt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Target aus optischem Be­ schichtungsmaterial bei jedem Schritt zum Einwirken auf die Quelle frisch ist.