Vorrichtung und Verfahren zur Beschichtung von Substraten mit planaren oder geformten Oberflächen mittels Magnetron-Sputtern
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mit planaren oder geformten Oberflächen mittels Magnetron-Sputtern bereitge stellt, mit der beliebig geformte Oberflächen, zum Beispiel Linsen, Asphären oder Freiformflächen mit einem einstellbaren Schichtdickenprofil beschichtet werden können, so dass eine Schichtfunktion auf der im wesentlichen ganzen Fläche erhalten bleibt. Ebenso wird ein solches Verfahren bereitgestellt.
In optischen Systemen sind gekrümmte Oberflächen weit verbreitet. Einge setzt werden Linsen, asphärische Komponenten oder auch Freiformflächen, um Licht zu lenken, oder Abbildungen des Lichtes durchzuführen. Diese ver schiedenen Formen werden im Folgenden als„optische Komponenten" be- zeichnet. Abbildungsfehler spielen dabei eine große Rolle.
In der Regel werden die optischen Komponenten mit einer Beschichtung ver-
sehen. Die Beschichtung kann unterschiedliche Funktionen haben. In einigen Fällen kann, um das optische System kompakt zu gestalten, ein Bandpassfilter oder ein Kantenfilter auf die optische Komponente aufgebracht sein. Dabei kann auch eine gekrümmte Oberfläche beschichtet werden.
Die Beschichtung ist oftmals auch eine Entspiegelung, die entweder bei einer bestimmten Wellenlänge oder über einen breiten Spektralbereich wirken kann. Das Substratmaterial ist in der Regel Glas oder Kunststoff.
Die optischen Komponenten können hergestellt werden durch Pressen, oder auch durch mechanische Bearbeitung. Je nach Material, d.h. Brechungsindex der optischen Komponenten reflektiert das Substratmaterial einige % des Lichtes.
Die Reflexion gegen Luft wird nach der Formel (I)
R = (h-1)L2 / (h+1)L2 (I) berechnet, wobei n der Brechungsindex der optischen Komponente ist.
Optische Komponenten können auch in Medien wie Öle oder Kitt eingebaut sein, wobei dann in der Formel (I) der Brechungsindex 1 für Luft durch den Brechungsindex des Mediums der Umgebung verwendet werden muss.
Oftmals werden auch mehrere optische Komponenten als Kit bereitgestellt. Über die Auswahl des Kits kann so die Reflexion zwischen den Komponenten reduziert werden.
Bei einer Entspiegelung müssen in der Regel beide Seiten der optischen Kom ponenten beschichtet werden, wobei ein mehr oder weniger breiter Spektral bereich vorgesehen wird. Bei einer einfachen Breitbandentspiegelung wird oftmals der Bereich 420-680 nm entspiegelt, wobei eine Reflexion von weni ger als 0.5% über diesen Bereich notwendig ist. Wenn es sich um ein flaches Substrat handelt, genügt hierfür eine Beschichtung der Form:
Glas - Ti02 (lOnm) - Si02 (40nm) - TiO2 (110nm) - SiO2 (85nm)
Si02 ist ein niederbrechendes Material, welches als Schicht üblicherweise ty pisch einen Brechungsindex von ca. 1.48 (bei einer Wellenlänge von 550nm) aufweist. Ti02 ist ein hochbrechendes Material mit einem Brechungsindex von 2.4 bis 2.7. Neben Si02 und Ti02 können eine Vielzahl anderer Materialien ebenso eingesetzt werden. Als niederbrechende Schichten eignen sich auch Al203, als hochbrechende Ta205, Nb205, Hf02, Zr02, Sc203, Al203 oder Mi schungen davon.
Oftmals ist der vorgesehene Spektralbereich deutlich größer und auch die Restreflexion ist niedriger spezifiziert. Dies ist besonders wichtig bei optischen Systemen mit einer Vielzahl von optischen Komponenten. Dort sind nicht nur die Lichtverluste wichtig, sondern vielmehr auch Geisterbilder durch mehrfach im System reflektiertes Licht. Diese kommen dadurch zustande, dass an den einzelnen Oberflächen restliches Licht reflektiert werden kann. Dieses geht dann teilweise den Strahlengang zurück, hat aber nicht mehr die gewünschte Abbildungseigenschaft. Über mehrere Reflexionen kann dieses Licht dann als störendes bzw. Streulicht in den Detektor gelangen. Streulicht kann den Kon trast reduzieren oder es können Geisterbilder entstehen. Mit größerem Spekt ralbereich und geringerer Restreflexion muss die Schichtzahl und damit die Gesamtschichtdicke in der Regel erhöht werden.
Neben reflexionsmindernden Schichten können auch diverse Filter eingesetzt werden.
Ein solcher Filter besteht im Allgemeinen ebenfalls aus einer Abfolge von ab wechselnd hoch- und niederbrechenden Schichten mit Schichtdicken. Je nach Anwendung können die einzelnen Schichtdicken zwischen 1 und mehreren lOOnm betragen. Bei Filtern beträgt die Gesamtzahl der Schichten meist mehr als 10 und kann auch viele Hundert erreichen. Damit ergeben sich im sichtba ren Spektralbereich Gesamtschichtdicken von etwa 1000 nm bis über 30000 nm. Im Infrarotbereich können die Schichtdicken sogar 100000 nm erreichen oder sogar überschreiten.
Die Verwendung eines Filters direkt auf der gekrümmten Komponente hat den Vorteil, dass das optische System deutlich kompakter gebaut werden
kann. Auf die Verwendung eines Planfilters kann somit verzichtet werden, wenn ein Filter direkt auf die Linsenoberfläche aufgebracht werden kann. Derartige Filter können ein Bandpassfilter sein. Dieser lässt einen engen und genau definierten Spektralbereich durch und blockiert den restlichen Spekt ralbereich. Einsetzbar ist ein solcher Bandpassfilter beispielsweise in einem LIDAR-System. Dort wird das vom Laser ausgesandte Licht als Streulicht der Umgebung gemessen. Das LIDAR-Signal ist wesentlich schwächer als das Licht der Umgebung, so dass eine Unterdrückung des Umgebungslichtes erfolgen muss. Ein LIDAR Filter für einen 532nm Laser würde daher auf einer Linse ei nen Bandpass von lOnm Halbwertsbreite haben und eine Blockung mit OD 6 zwischen 200nm bis llOOnm. Wenn der Filter direkt auf der optischen Kom ponente aufgebracht wird, hat das den Vorteil, dass das Umgebungslicht im mer senkrecht auf den Filter auftrifft. Bei einem Plansubstrat müsste dagegen eine Zwischenabbildung vorgenommen werden, damit das Licht immer senk recht auf den Filter auftrifft.
Bei optischen Komponenten tritt oft der weitere Fall auf, dass das Licht über die gesamte Linsenoberfläche parallel auftrifft. Wenn es sich um eine konve xe, konkave oder um eine Freiformoberfläche handelt, ist der Einfallswinkel des Lichtes auf die Oberfläche nicht konstant, sondern abhängig vom Ort, wo das Licht auftrifft. Im Zentrum ist der Lichteinfall senkrecht, am Rand der Linse ist der Einfallswinkel größer und abhängig von der Form der optischen Kom ponente. Teilweise gibt es auch Anwendungen, bei denen Lichtstrahlen mehrmals ein und dieselbe Optik unter unterschiedlichem Öffnungswinkel durchlaufen. Hierbei werden beispielsweise unterschiedliche Bereiche der Linse ausgenutzt.
Bei Freiformflächen besteht zudem keine Rotationssymmetrie, d.h. die Krümmung ist abhängig von der Winkelposition des optischen Elements.
Der Effekt des unterschiedlichen Einfallswinkels des Lichts auf die Oberfläche führt dazu, dass das Spektrum sich zu kürzeren Wellenlängen verschiebt. Auch die Form des Spektrums selber kann sich verändern.
Es kann daher günstig sein, die Beschichtung derart aufzubringen, dass diese am Rand der optischen Komponente dicker ist als in der Mitte, so dass der
Effekt der Winkelverschiebung kompensiert wird. Trifft das Licht senkrecht von oben auf die Linse, so erfolgt eine spektrale Korrektur, so dass keine spektrale Verschiebung der Spektren oder eine Änderung der Intensitäten bei Transmission oder bei Reflexion auftritt. Das transmittierte oder reflektierte Spektrum ist gleich unabhängig vom Ort, wo das Licht auftrifft.
Bei einer Anwendung, wo verschiedene Bereiche der Linse von unterschiedli chen Lichtstrahlen mit unterschiedlichem Öffnungswinkel durchlaufen wer den, könnte die Variation der Schichtdicke auch unterschiedlich ausgeführt werden.
Die Beschichtung von optischen Komponenten kann mit chemischen Verfah ren erfolgen. Hierbei kann beispielsweise das Verfahren der Atomlagenab scheidung (engl atomic layer deposition, ALD) eingesetzt werden. Nachteil der ALD ist allerdings, dass es kaum eine Möglichkeit gibt, die Beschichtung auf dem Bauteil gezielt zu verändern. Vielmehr resultiert im Idealfall eine ho mogene gleichförmige Beschichtung auch auf 3D Bauteilen. Der Effekt der Winkelverschiebung bei parallel einfallendem Licht kann mit einem solchen Verfahren daher nicht kompensiert werden.
Weiterhin werden häufig Verfahren der physikalischen Gasphasenabschei dung (engl physical vapor deposition, PVD) eingesetzt, insbesondere Auf dampfverfahren oder S putterverfahren. Bei den PVD-Verfahren gibt es ent weder keine chemische Reaktion der schichtbildenden Teilchen oder im Falle reaktiver PVD-Verfahren erfolgt die Reaktion ausschließlich an den Reaktor- bzw. Substratflächen. Die Abscheidung erfolgt durch Verdampfen aus einem Tiegel im Hochvakuum oder durch Sputtern von einem Target bei typischem Arbeitsdrücken von 0.05 bis 3.0 Pa, bevorzugt von 0.1 bis 1 Pa.
Beim Magnetron-Sputtern erfolgt bevorzugt eine relativ schnelle Drehtellerro tation. Die Substrate sind dabei am Drehteller angebracht und werden somit rotatorisch und periodisch durch Beschichtungsreaktoren mit statisch positio nierten Sputterquellen bewegt. Mit jedem Durchlauf wird jeweils eine dünne Teilschicht eines Metalls oder einer Metallverbindung aufgetragen. In einer zusätzlichen, optionalen Plasmakammer kann die Stöchiometrie der Metall verbindung angepasst werden.
Die Magnetronsputter-Quellen können planar oder auch zylindrisch geformt sein. Zudem können sie als Einzel- oder als Doppel-Magnetronsystem ausge legt werden.
Bei einer rotatorischen Substrat-Anordnung mit linearen Beschichtungs- Quellen ist das sich auf dem Substrat ergebende Schichtprofil nicht homogen. Bei einem flachen Substrat nimmt die Rate mit der Abhängigkeit gemäß 1/r nach außen hin ab, wobei r dem Abstand zwischen dem Drehtellermittelpunkt und des betrachteten Punktes des Substrats entspricht.
Ist das Substrat gekrümmt, so ergeben sich zusätzliche Schichtdickenvariatio nen aufgrund der unterschiedlichen Abstände zwischen Sputterquelle und Substrat und unterschiedlicher Neigungswinkel der Substratfläche in Bezug auf die Beschichtungsrichtung.
Ein üblicher Ansatz zur Kompensation der Schichtdickenverteilung auf der Linse und dem Winkelshift besteht darin, über ein besonderes Design diese Effekte aufzufangen. Allerdings wird hierbei das Schichtdesign sehr aufwändig und kann aus sehr vielen Schichten bestehen.
Bei Beschichtungsvorrichtungen mit langsam rotierendem Teller bzw. Trom mel (d.h. der Drehteller dreht sich mit Frequenzen von weniger als 50 rpm) wird oftmals eine schnelle Planetenrotation der optischen Komponenten vor gesehen. Als Faustregel sollte die Eigenrotation der Komponenten mindestens lOmal so schnell wie die Rotation des Tellers bzw. der Trommel sein. Bei einer schnellen Rotation des Substrates kann das Schichtprofil somit ausgeglichen werden.
In US 6,250,758 Bl wird ein Mechanismus vorgeschlagen, mit dem Linsen mit einer Antireflexbeschichtung homogen beschichtet werden können. Dabei werden die Substrate auf einem rotierenden Teller angebracht und können um die eigene Achse gedreht werden. Eine zusätzliche Uniformitätsmaske wird dabei eingesetzt.
Der Einsatz einer schnellen Rotation hat im Wesentlichen folgende Nachteile:
• Die schnell drehende Teile können Abrieb und damit vermehrt Par tikel erzeugen.
• Bei schweren optischen Komponenten sind die Kräfte sehr groß, so dass beispielsweise bei verkitteten Komponenten diese auseinan der fallen können.
• Die Rotation ist zufällig, da die Drehtellerrotation selbst schon groß ist, so dass es zu Schwebungen in der Schichtverteilung kommen kann.
• Eine schnelle Rotation kann nur bei rotationssymmetrischen Kom ponenten eine symmetrische Schichtfunktion liefern, nicht aber bei Freiformflächen, die keine Rotationssymmetrie aufweisen.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrich tung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen optische Komponenten mit geformten Oberflächen, z.B. Linsen, Asphären oder Freiformflächen, mit ei nem einstellbaren Schichtdickenprofil beschichtet werden können, wobei die genannten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vermieden werden sollen.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die weite ren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mit planaren oder geformten Oberflächen mittels Magnetron-Sputtern bereitge stellt, die folgenden Komponenten enthält: a) eine Vakuumkammer,
b) mindestens eine Magnetronquelle mit mindestens einer
Magnetron-Elektrode als Beschichtungsquelle,
c) einen Drehteller mit mindestens einer Substrathalterung, wobei der Drehteller eine erste rotatorische Bewegung des Substrats und
die mindestens eine Substrathalterung eine zweite rotatorische Bewegung ermöglicht,
d) mindestens ein mit der oder den Substrathalterungen gekoppelter steuerbarer Motor, der die zweite rotatorische Bewegung des Sub strats bewirkt, sowie
e) eine Gradientenblende mit
• einem ersten Bereich, der eine Geometrie zur inhomogenen Beschichtung des Substrats aufweist, wobei die Gradientenblende im Profil mindestens eine lokale Erhöhung oder mindestens eine lokale Vertiefung aufweist, wobei über die Steigung an der Flanke der Erhöhung oder Vertiefung der Schichtdickengradient auf dem Substrat einstellbar ist, und
• einem zweiten Bereich mit einer Geometrie, die eine homoge ne Beschichtung eines Referenzsubstrats bewirkt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Drehung der Linse mittels ei nem steuerbaren Motor angepasst an das Schichtsystem erfolgt. Dabei soll die Drehung so erfolgen, dass die Linse vorzugsweise in dem Zeitraum, in dem sie sich nicht unter einer der Quelle befindet, um einen definierten Winkel ver dreht wird. Hierbei kann ein vakuum-geeigneter steuerbarer Motor zum Ein satz kommen, der sich auf einer Substrathalterung befindet und an dessen Achse sich die optische Komponente befindet. Als steuerbarer Motor wird bevorzugt ein Schrittmotor oder ein DC-Motor verwendet. Möglich ist aber auch ein analog gesteuerter Elektromotor, der über eine Positionserkennung verfügt.
Die zyklische und langsame Rotation hat den Vorteil, dass nur wenig Strom verbraucht wird. Daher ist es bevorzugt, dass die Stromversorgung mit Hilfe einer geeigneten Batterie direkt auf der Substrathalterung vorgenommen wird, wodurch elektrische Drehdurchführungen vermieden werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Gradientenblende auf, die eine inhomogene Abtragerate des Quellmaterials bewirkt. Diese Gradientenblende bzw. Shapermaske wird so ausgeführt, dass
sowohl ein homogener Bereich für das Monitoring als auch ein Bereich mit einem Gradienten entsteht. Die Form der Gradientenblende kann mit Hilfe einer Simulation des Beschichtungsprozesses und einem Optimierungsalgo rithmus bestimmt werden, sie kann aber auch durch manuelles Bearbeiten iterativ hergestellt werden.
Die Gradientenblende ragt für konvex geformte Substrate vorzugsweise im Bereich der Laufrichtung des Zentrums der Linse am weitesten in den Be schichtungsbereich hinein und besitzt von dort aus eine sich öffnende Form, so dass sich mindestens eine abgerundete Spitze, d.h. mindestens eine lokale Erhöhung, ergibt. Über die Steigung an der Flanke der Erhöhung ist dabei der Schichtdickengradient auf dem Substrat einstellbar. Im zweiten Bereich weist die Gradientenblende eine Geometrie auf, die eine homogene Beschichtung des Referenzsubstrats bewirkt.
Die Gradientenblende für konkav geformte Linsen weist vorzugsweise eine Geometrie auf, die im Bereich der Laufrichtung des Zentrums der Linse am weitesten aus dem Beschichtungsbereich herausgenommen ist und von dort aus eine in den Beschichtungsbereich hineinragende Form besitzt, so dass sich mindestens eine inverse Form einer abgerundeten Spitze, d.h. mindestens eine lokale Vertiefung, ergibt. Über die Steigung an der Flanke der Erhöhung ist dabei der Schichtdickengradient auf dem Substrat einstellbar. Im zweiten Bereich weist die Gradientenblende eine Geometrie auf, die eine homogene Beschichtung des Referenzsubstrats bewirkt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Beschichtungs quelle eine inhomogene Plasmadichte aufweist, die eine inhomogene Abtragerate des Quellmaterials bewirkt. Diese Beschichtungsquelle mit inho mogener Plasmadichte kann dazu beitragen, bestimmte Ratenprofile entlang der Targetachse zu erzeugen. Mit einer weiteren Gradientenblende können diese Ratenprofile zusätzlich verstärkt werden.
Vorzugsweise ist der Schrittmotor an der Substrathalterung reversibel oder irreversibel fixiert.
Der Schrittmotor kann vorzugsweise mit einem Untersetzungsgetriebe kom biniert werden, um die Rotation des Substrats um die z-Achse feiner aufzulö-
sen.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass das Substrat durch einen extern angeschlossenen Motor gedreht wird. Die Verbindung zwischen Motor und Substrathalterung kann mit einer vakuumtauglichen Welle vorgenommen werden. Hierbei muss auch eine Hubvorrichtung vorgesehen werden, indem die Substrathalterung aus dem Drehteller angehoben, dann gedreht und dann wieder abgesenkt wird. Hierbei muss der Drehteller jeweils angehalten wer den. Hierbei kann es notwendig sein, dass bei einer Einzelschicht ein oder mehrere Zwischenhalte des Drehtellers notwendig sind. Günstig sind hierbei S Zwischenhalte, so dass die Komponente in drei verschiedenen Positionen be schichtet wird. Der Vorgang besteht also aus den folgenden Schritten:
• Pausieren der Beschichtung durch Schließen eines Shutters
• Anhalten des Drehtellers
• Positionierung über die Hub-Dreh-Vorrichtung
• Anheben der Substrathalterung
• Drehung der Substrathalterung um einen definierten Winkel
• Absenken der Substrathalterung
• Starten des Drehtellers
• Fortführung der Beschichtung durch Öffnen des Shutters.
Es empfiehlt sich hierbei, das optische Monitoring auf einem separaten Teller durchzuführen, der nicht gedreht wird.
Neben einer Drehung um die eigene Achse der Komponente ist grundsätzlich auch eine zusätzliche Kippung der Komponente um einen definierten Winkel möglich. Vorteilhafterweise ergibt sich damit ein weiterer Freiheitsgrad, mit dem die Verteilung der Beschichtung auf der Komponente gesteuert werden kann.
Als Beschichtungsquelle enthält die Vorrichtung eine lineare oder ringförmige Magnetronquelle. Diese kann als Einzel- oder Doppel- Magnetronquelle aus geführt sein.
Als Substrate können sämtliche Materialien eingesetzt werden, die aus dem
Stand der Technik bekanntermaßen für den Einsatz in optischen Komponen ten geeignet sind. Vorzugsweise besteht das Substrat aus einem Glas oder einem Kunststoff. Als Gläser sind Quarz, Borosilikatglas, Schwefelhexafluorid (SF6) oder Kombinationen hiervon bevorzugt. Bevorzugte Kunststoffe sind Polyallyldiglycolcarbonat (PADC bzw. CR39), Polycarbonat, PMMA oder Kom binationen hiervon.
Vorzugsweise ist das Substrat eine optische Komponente, insbesondere aus gewählt aus der Gruppe bestehend aus Linsen, Asphären oder Freiform- Optiken.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten mit planaren oder geformten Oberflächen mittels Magnetron-Sputtern be reitgestellt, bei dem a) in einer Vakuumkammer mindestens ein Substrat in einer zu gehörigen Substrathalterung auf einem Drehteller angeordnet wird, wobei der Drehteller eine erste rotatorische Bewegung des Substrats und die mindestens eine Substrathalterung eine zweite rotatorische Bewegung ermöglicht, wobei die zweite rotatorische Bewegung über einen mit der Substrathalterung gekoppelten steuerbaren Motor erfolgt, b) in einem Beschichtungszyklus mit mindestens einer aus einer mindestens einer Magnetronquelle bestehenden Beschich tungsquelle mindestens eine Schicht auf dem mindestens einen Substrat abgeschieden wird, wobei die Schichten aus Quellma terial der Magnetron-Elektroden mit Sputtergas und ggf. zu sätzliche Zugabe von Reaktivgas gebildet werden, wobei eine Gradientenblende mit
• einem ersten Bereich (34), der eine Geometrie zur inhomo genen Beschichtung des Substrats aufweist, wobei die Gradientenblende im Profil mindestens eine lokale Erhö hung oder mindestens eine lokale Vertiefung aufweist, wo bei über die Steigung an der Flanke der Erhöhung oder Ver-
tiefung der Schichtdickengradient auf dem Substrat ein stellbar ist, und
• einem zweiten Bereich (35) mit einer Geometrie, die eine homogene Beschichtung eines Referenzsubstrats bewirkt, verwendet wird, und
b) die erste rotatorische Bewegung mit der zweiten rotatorischen Bewegung so abgestimmt wird, dass die zweite rotatorische Bewegung nur außerhalb des Beschichtungszyklus erfolgt.
Vorzugsweise wird im Schritt b) eine Gradientenblende zur Abscheidung von Schichten verwendet, die einen Gradienten hinsichtlich der Schichtdicken er zeugen, wobei die Gradientenblende vorzugsweise einen ersten Bereich zur inhomogenen Beschichtung des Substrats aufweist, bei der für konvex ge formte Substrate im Bereich der Laufrichtung des Zentrums der Linse am wei testen in den Beschichtungsbereich hineinragt und von dort aus eine sich öff nende Form besitzt, so dass sich mindestens eine abgerundete Spitze, d.h. mindestens eine lokale Erhöhung, ergibt. Über die Steigung an der Flanke der Erhöhung wird der Schichtdickengradient auf dem Substrat eingestellt. Im zweiten Bereich weist die Gradientenblende eine Geometrie auf, die eine ho mogene Beschichtung eines Referenzsubstrats bewirkt.
Eine weiter bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass im Schritt b) eine Gradientenblende zur Abscheidung von Schichten verwendet wird, die einen Gradienten hinsichtlich der Schichtdicken erzeugen, wobei die
Gradientenblende vorzugsweise einen ersten Bereich, der eine Geometrie zur inhomogenen Beschichtung des Substrats aufweist, indem für konkav geform te Linsen im Bereich der Laufrichtung des Zentrums der Linse am weitesten aus dem Beschichtungsbereich herausgenommen ist und von dort aus eine in den Beschichtungsbereich hineinragende Form besitzt, so dass sich eine inver se Form einer abgerundeten Spitze, d.h. eine lokale Vertiefung, ergibt. Über die Steigung an der Flanke der Erhöhung wird der Schichtdickengradient auf dem Substrat eingestellt. Im zweiten Bereich weist die Gradientenblende eine Geometrie auf, die eine homogene Beschichtung eines Referenzsubstrats be wirkt.
Es ist bevorzugt, dass die Form der Gradientenblende über die lokale Vertei lung der Beschichtungsrate erfasst wird, wobei die Beschichtungsrate über die Form der Linse in Abhängigkeit von der Blendenform ermittelt wird.
Die erste rotatorische Bewegung des Drehtellers erfolgt dabei vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 300 rpm, bevorzugt 50 bis 270 rpm und besonders bevorzugt 70 bis 250 rpm. So wird bei jedem Durchlauf eine Schichtdicke von bevorzugt 0,01nm bis 0,54nm und besonders bevorzugt 0,05 bis 0,18 nm erreicht, wodurch eine Beschichtungsrate von 0,lnm/sec bis lnm/sec erreicht werden kann.
Die abgeschiedene Gesamt-Schichtdicke liegt im Bereich von 1 bis 1000 nm, bevorzugt 3 bis 500 nm. Die jeweilige Schichtdicke orientiert sich hierbei am jeweiligen Schichtdesign, welches Schichtdicken von wenigen nm bis mehre ren lOOnm pro Einzelschicht haben kann.
Es ist bevorzugt, dass für jede abgeschiedene Schicht eine kontinuierliche ers te rotatorische Bewegung mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 300 rpm, be vorzugt 50 bis 270 rpm und eine schrittweisezweite rotatorische Bewegung mit n Schritten und einer Bewegung um einen Winkel von 360°/n, wobei n = 3, 6, 9, etc. erfolgt.
Die Rotation erfolgt vorzugsweise in vordefinierten Schritten und wird durch eine Software gesteuert. Die Schrittweite wird vorzugsweise so berechnet, dass bei jeder Winkelstellung ein bestimmtes Schichtprofil erzeugt wird. Die Anzahl der notwendigen Schritte wird im Vorfeld durch die Software berech net.
Während bei Linsen und Asphären eine Rotationssymmetrie um den Mittel punkt der Komponente vorliegt, ist diese bei Freiformflächen im allgemeinen nicht mehr gegeben. Daher wird für Freiformflächen vorzugsweise die Schritt steuerung angepasst, so dass ein für einen bestimmten Bereich der Freiform optik angepasstes Schichtdickenprofil erzielt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
können auch dazu genutzt werden, um bestimmte Gradienten auf planaren Oberflächen abzuscheiden, wodurch Gradientenfilter hergestellt werden kön nen. Dieses ist vorteilhaft, weil der Gradient der Gradientenfilter nicht gerade ist, sondern eine Kreisbahn beschreibt. Ebenso kann eine zusätzliche Homo genisierung der Schichtdickenverteilung auf planaren Substraten vorgenom men werden.
Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu benutzt werden, um Gradi enten mit unterschiedlicher Steigung zu verwenden. Somit können beispiels weise auch Stufenprofile erzeugt werden. Dies ist hilfreich, wenn beispiels weise mehrere kleinere Objekte zu beschichten sind, die jeweils eine homo gene Beschichtung erhalten sollen, aber bei denen sich die Schichtdicke je weils unterscheidet.
Auch können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unterschiedliche Gradi enten auf einer Komponente aufgebracht werden. Das ist nützlich, wenn z.B. eine Linse mehrmals von einem Strahlenbündel durchlaufen wird, wobei sich der Öffnungswinkel und/oder der Einfallswinkel unterscheidet.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezi fischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung ohne Drehteller in der Draufsicht
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung mit Drehteller in der Draufsicht
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung mit Drehteller in einer Schnittdarstellung
Fig. 4 zeigt eine erste erfindungsgemäße Substrathalterung in einer Schnitt darstellung
Fig. 5 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Substrathalterung in einer
Schnittdarstellung
Fig. 6a zeigt eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Gradientenblende
Fig. 6b zeigt eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Gradientenblende
Fig. 6c zeigt eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Gradientenblende
Fig. 7 zeigt anhand eines Diagramms die Beschichtungsrate in Abhängigkeit von der radialen Position der Linse
Fig. 8 zeigt eine erfindungsgemäß beschichtete Linse
Fig. 9 zeigt ein Spektrum einer erfindungsgemäß beschichteten Linse
Fig. 1 zeigt schematisch in der Draufsicht eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Drehteller. Die Vorrichtung weist drei Magnetron- Sputtereinrichtungen 2, 3, 4 auf, wovon eine in der Einzelmagnetronanordung 2 und zwei in der Doppelmagnetronanordnung 3, 4 ausgestaltet sind. Die Magnetron-Sputtereinrichtungen 2 enthält eine Magnetron-Elektrode 5, Sputtergas 11, optional Reaktivgas 8 und befindet sich im Vakuum 1. Die Magnetron-Sputtereinrichtungen 3, 4 enthalten jeweils zwei Magnetron- Elektroden 6, 7, Sputtergas 11, optional Reaktivgas 8 und befinden sich im Vakuum 1. In der Nachbarschaft der Magnetron-Sputtereinrichtungen 2, 3, 4 befindet sich eine Plasmaquelle 12 und ein Photometer 16 und/oder eine Ellipsometrieflansche 17.
Fig. 2 zeigt schematisch in der Draufsicht eine bevorzugte Ausgestaltung des Drehtellers. Der Drehteller 10 befindet sich in der Vorrichtung und weist in diesem Beispiel zehn identische Substrathalterungen 9 auf.
Fig. 3 zeigt schematisch in der Seitenansicht eine bevorzugte Ausgestaltungs form der Vorrichtung mit Drehteller 10. Es ist der Querschnitt einer
Magnetron-Sputtereinrichtung sichtbar, welche zwei Zylinder aus Quellmate rial 6, 7 enthält (Doppelmagnetronanordnung). Die Magnetron- Sputtereinrichtung ist an den Seiten von Begrenzungswänden 14, 15 und oben durch den Drehteller 10 gasdicht vom Rest der Vorrichtung abgegrenzt, ent hält Sputtergas 11, optional Reaktivgas 8, und ist unter Vakuum 1. Zwei Sub strathalterungen 9 des Drehtellers 10 sind in dem Querschnitt dargestellt bzw.
sichtbar. Oberhalb des Drehtellers 10 befindet sich ein Deckel 13, welcher mit Begrenzungswänden, welche sich seitlich des Drehtellers 10 befinden, die Vorrichtung gasdicht abschließt.
Fig. 4 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Substrathalterung 9. Hierbei ist eine Linse 18 rotierend mit der Achse eines Motors 20 gekoppelt. Der Mo tor 20 ist auf der Substrathalterung 9 fest montiert und kann von außen ge steuert werden. Ein Monitorbereich ist hierbei nicht vorgesehen. Die Be schichtungsrichtung 21 erfolgt von unten nach oben und die Bewegung 22 der Substrathalterung von links nach rechts.
Fig. 5 zeigt einen Aufbau einer zu beschichtenden Linse 18 in einer weiteren erfindungsgemäßen Substrathalterung 9. Die Linse 18 befindet sich in einem Bereich 24, wo die Beschichtungsrate einen lateralen Gradienten aufweist, während für die Referenzmessung ein Beschichtungsbereich 23 ohne Gradient vorgesehen ist. Das dafür vorgesehene Monitorglas kann auf der gezeigten Substrathalterung 9 mitlaufen oder sich auf einer der anderen Substrathalte rungen 9 befinden.
Fig. 6a zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnung mit dem
Doppelmagnetron 36, der Linse 37 und dem Referenzglas 38. Die
Gradientenblende 31 ist so geformt, dass sie auf einem ebenen Substrat einen homogenen Beschichtungsbereich 35 ermöglicht sowie einen Bereich 34 mit einem lateralen Schichtdickengradienten. Der Bereich 34 mit einem lateralen Schichtdickengradienten liegt auf der Kreisbahn 33 und weist eine lokale Er höhung in Form einer Spitze auf. Die Steigung der Flanken dieser lokalen Er höhung bestimmt dabei den Schichtdickengradienten auf dem Substrat. Im Bereich der Kreisbahn 33, auf der das Referenzglas 38 angeordnet ist, wird dieses homogen beschichtet, was durch das flach abfallende Profil der Gradientenblende im homogenen Bereich 35 realisiert wird. Diese Ausfüh rungsform der Gradientenblende ermöglicht die Beschichtung von konvexen Substraten.
Fig. 6b zeigt eine zweite erfindungsgemäße Anordnung mit dem
Doppelmagnetron 36, der Linse 37 und dem Referenzglas 38. Die
Gradientenblende 31 ist so geformt, dass sie auf einem ebenen Substrat einen
homogenen Beschichtungsbereich 35 ermöglicht sowie einen Bereich 34 mit einem lateralen Schichtdickengradienten. Der Bereich 34 mit einem lateralen Schichtdickengradienten liegt auf der Kreisbahn 33 und weist eine lokale Ver tiefung in Form einer Senke auf. Die Steigung der Flanken dieser lokalen Ver tiefung bestimmt dabei den Schichtdickengradienten auf dem Substrat. Im Bereich der Kreisbahn 33, auf der das Referenzglas 38 angeordnet ist, wird dieses homogen beschichtet, was durch das flach abfallende Profil der Gradientenblende im homogenen Bereich 35 realisiert wird. Diese Ausfüh rungsform der Gradientenblende ermöglicht die Beschichtung von konkaven Substraten.
Fig. 6c zeigt eine dritte erfindungsgemäße Anordnung mit dem
Doppelmagnetron 36, den Linsen 37 und 41 und dem Referenzglas 38. Die Gradientenblende 31 ist so geformt, dass sie auf einem ebenen Substrat einen homogenen Beschichtungsbereich 35 ermöglicht sowie zwei Bereiche 34 und 39 mit einem lateralen Schichtdickengradienten. Die Bereiche 34 und 39 mit einem lateralen Schichtdickengradienten liegen auf den Kreisbahn 33 und 40 und weisen jeweils eine lokale Erhöhung in Form einer Spitze auf. Die Stei gung der Flanken dieser lokalen Erhöhung bestimmt dabei den Schichtdicken gradienten auf dem Substrat. Im Bereich der Kreisbahn 33, auf der das Refe renzglas 38 angeordnet ist, wird dieses homogen beschichtet, was durch das flach abfallende Profil der Gradientenblende im homogenen Bereich 35 reali siert wird. Diese Ausführungsform der Gradientenblende ermöglicht die si multane Beschichtung von zwei konvexen Substraten.
Fig. 7 stellt die relative Beschichtungsrate auf dem flachen Referenzglas 19 bzw. auf der rotierenden Linse 18 dar. Auf der Linse 9 ergibt sich eine anstei gende Rate vom Zentrum nach außen hin (von der x-Achse 0 bis 10mm nach rechts). Die Datenpunkte 1) in Figur 8 sind spiegelsymmetrisch zur Position 0 der x-Achse zu sehen.
Fig. 8 zeigt eine Linse 18 wie sie typisch beschichtet werden kann. Sie hat ei nen Durchmesser von 20mm und einen Krümmungsradius von 25.8 mm. Es ist ein senkrecht auf die Linse 18 auftreffender Lichtstrahl 28 und ein schräg auf die Linse 18 auftreffender Lichtrahl 27 dargestellt. Der Einfallswinkel 29 steigt im Brennpunkt von 0° im Zentrum auf 16° in einem Punkt von 5 mm vom
Zentrum entfernt. Diese Linse wurde mit einem Bandpassfilter auf der konve xen Seite 25 beschichtet. Auf der planaren Seite 26 kann eine Beschichtung mit Breitband, Antireflex oder Blocker erfolgen.
Fig. 9 zeigt gemessene Spektren der beschichteten Linse an verschiedenen Positionen. Die Beschichtung besteht aus einem Bandpass mit einer Zentral wellenlänge von etwa 665nm. Es wurden Si02 und Ta205 als nieder- bzw. hochbrechende Materialien eingesetzt.
Beispiel 1
In einem Schichtstapel wird eine Si02-Schicht mit einer Dicke von lOOnm auf gebracht. Die dynamische Rate beträgt 0.4nm/sec bei rotierendem Teller mit Rotationsfrequenz von 240rpm, d.h. O.lnm pro Umlauf. Für die lOOnm Schicht sind dann 1000 Durchläufe notwendig. In diesem Beispiel wird nach 250, nach 500 und nach 750 Umdrehungen eine Drehung um 90° durchgeführt.
Beispiel 2
In einem zweiten Beispiel wird eine Drehung jeweils nach 25 Umläufen um 9° vorgenommen, um eine feinere Einteilung zu bekommen.
Beispiel 3
Bestimmung der Geometrie der Gradientenblende
Ziel der Beschichtung von Linsen mit optischen Filtern ist es, dass der Filter auf der gesamten Linsenfläche gleich funktioniert, d.h. für jeden Lichtstrahl durch verschiedene Punkte der Linse soll sich z.B. das gleiche Transmissions- und Reflexionsspektrum ergeben. Hierbei werden zwei Effekte berücksichtigt:
• Je nach Linsenform hat die Linsenfläche bei unterschiedlichen Radien eine unterschiedliche Flächenneigung.
• Je nach Aufbau der Optik treffen die Lichtstrahlen unter einem unter schiedlichen Winkel auf die unterschiedlichen Radialpositionen auf,
z.B. macht es einen Unterschied, ob die Linse durch kollimiertes oder divergentes Licht getroffen wird.
Entsprechend wird für eine Linse üblicherweise ein„Winkelspektrum" spezifi ziert, d.h. der mittlere Auftreffwinkel des Lichts als Funktion des Radialab stands vom Linsenmittelpunkt. Abhängig vom Auftreffwinkel ergeben sich für einen optischen Filter mehr oder weniger starke spektrale Verschiebungen, und diese gilt es durch eine Variation der Schichtdicke zu kompensieren.
Durch optische Modellierung des Filters für verschiedene Lichteinfallswinkel erhält man letztlich als Zielfunktion die relative Schichtdicke als Funktion der Radialposition vom Linsenzentrum (mit 100% Schichtdicke im Linsen-Zentrum festgelegt).
Die Blendenform gewährleistet eine möglichst gute Realisierung dieser Ziel funktion. Je nach Linsenform, Geometrie des Beschichtungsprozesses und auch des optischen Filterdesigns kann die Blendenform unterschiedlich ausfal- len
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen erfolgt die Bestimmung der Blendenform in folgender Weise:
Zwischen Blendenform und resultierendem Schichtdickenprofil auf der Linse gibt es keinen einfachen, intuitiven Zusammenhang. Es wurde ein„Digitaler Twin" des Prozesses entwickelt, mit dem sich der Effekt der Blendenform auf die Schichtdickenverteilung simulieren lässt. Unter Zuhilfenahme eines Optimierungsalgorithmusses lässt sich damit auch eine für die Zielfunktion angepasste Blendenform bestimmen. Das hat den Vorteil, dass die Blenden form nicht in zahlreichen iterativen Experimenten ermittelt werden muss. Die Blendenform für das Beispiel eines Bandpassfilters auf einer sphärischen Linse wurde mit Hilfe des digitalen Twins ermittelt und musste danach für die Expe rimente nicht mehr nachbearbeitet werden.
Die Blendenform wird in diesem Konzept durch aufeinanderfolgende Kreisbö gen realisiert. Mittels einer Software werden dazu Koordinatenpunkte {x^, Yk}k=i...N und Kreisradien {rk}k=i...N-i betrachtet. Die X-Koordinate zeigt dabei in
radialer Richtung vom Drehtellermittelpunkt nach außen, die Y-Koordinate weist quer dazu, d.h. in Bewegungsrichtung der Linse. Die Kreisradien sind positiv für einen konkave Kreisbogen und negativ für einen konvexen Kreisbo gen.
Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten (xk, yk), (xk+i, Yk+i) werden zu nächst anhand des Radius rk der Kreismittelpunkt (xrrik, yrrik) des jeweiligen Kreisbogens berechnet. Anschließend wird die Form der Blende als Funktion y(x) dargestellt: y(x) = ymk ± rk— (x— xmk)2; x e [xmk, xmk+1]
Das positive Vorzeichen wird gewählt, falls rk < 0, ansonsten wird das negative Vorzeichen gewählt.
Anhand dieser Parametrisierung berechnet das Digital Twin die resultierende Schichtdickenverteilung auf einer durch das Beschichtungskompartment fah renden Linse. Zur Ermittlung der Blendenform wird ein Fitalgorithmus ver wendet, bei dem sowohl von den Koordinatenpunkten {xk, yk} als auch von den Kreisradien {rk} einige der Variablen freigegeben sind und variiert werden, bis das gerechnete Schichtdickenprofil möglichst genau der Zielfunktion ent spricht.
Bei einer konvexen Linse soll die Schichtdicke zum Rand hin ansteigen, dies führt dann zu einer charakteristischen Blendenform, bei der eine lokal zacken förmige Verdickung der Blende auf das Zentrum der vorbeirotierenden Linse trifft.