WO2004050944A2 - Verfahren zur herstellung einer multilayerschicht und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer multilayerschicht und vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2004050944A2
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Jürgen PISTNER
Walter Lehnert
Harro Hagedorn
Gerd Deppisch
Mario RÖDER
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    • H01J2237/3321—CVD [Chemical Vapor Deposition]

Definitions

  • the invention relates to a method for producing thin layers and an apparatus for performing the method.
  • the method of sputtering is particularly advantageous for materials with a high melting point, in which a plasma is ignited by the action of an electric field in a vacuum range that is significantly above a typical residual gas pressure for a vapor deposition process, from which ions are exposed to a high electrical cathode potential lying target are accelerated and these ions knock atoms out of the target, which then precipitate on the walls of the vacuum chamber and on a spaced from the target, usually lying on ground or a low bias voltage. It is not necessary to heat the material source, rather the target is cooled during the process. In this case, a residual gas pressure usually results predominantly from an inert gas such as argon, which has no disruptive influences on the layer forming on the substrate. In order to separate compounds such as nitrides, carbides or oxides or the like, appropriate reactive gas gases can also be added to the sputtering gas.
  • the substrate is usually arranged outside the plasma zone in order to avoid damage to the freshly growing layer by irradiation from the plasma or backsputter effects.
  • the mean free path of the ions must be large enough to reach the target with sufficient kinetic energy, i.e. with as little interference as possible from further shock processes in the residual gas, and on the other hand to allow the atomized atoms to reach the substrate, which reduces the possible residual gas pressure limited above.
  • the pressure has to be high enough to be able to ignite a stable plasma at all.
  • Magnetic field-assisted cathode sputtering enables an increased electron density to be generated at the target, which results in a high plasma density at the target and therefore in a greatly increased atomization rate.
  • Oxides can also be produced by adding reactive components, in particular oxygen, to the inert gas.
  • reactive atomization process is known, for example, from WO 01/73151 A1.
  • the oxygen partial pressure is regulated by means of a lambda probe when the oxide is sputtered, so that a stoichiometric oxide can form in the growing layer.
  • the target also reacts with the reactive gas, so that competing processes, namely ablation on the one hand and oxide formation inhibiting ablation take place on the target surface. This in turn has repercussions on the electrical potentials in the coating chamber, the plasma formation and the like.
  • the layers of the atomized material which deposit on the inner surfaces of the vacuum chamber form getter surfaces which, for example, bind oxygen as a reactive component and thus lead to a mutual, difficult to predict dependency of various process parameters.
  • the relationship between the coating parameters is very complex. Often there is mutual interference when a single coating parameter is changed.
  • a device for applying thin titanium oxide layers by means of reactive cathode sputtering is known from EP 0 795 623 A1.
  • the power supply to the cathode is controlled by a signal from a ⁇ probe sensor, which compares the proportion of oxygen in the vacuum chamber with a reference gas.
  • the process is particularly suitable for the long-term stable deposition of oxides, which should be produced as homogeneously as possible and with a constant composition.
  • a plasma-assisted electron beam vapor deposition is known in which an oxide is vaporized at a very high rate by means of an electron beam evaporator and deposited on a substrate.
  • the oxide dissociates on evaporation, so that oxygen is lost and is no longer available for oxide formation in the growing layer.
  • a stoichiometric oxide can be deposited by regulating either the partial pressure of the reactive gas or the plasma parameters during the coating.
  • EP 0 1516 436 E1 discloses a magnetron sputtering device for the reactive deposition of a material on a substrate with a magnetron sputtering device and a secondary plasma device.
  • the sputtering device and the secondary plasma device each form sputtering and activation zones that are atmospherically and physically adjacent. By bringing the Sputtering and activation zone, the plasmas of both zones are mixed into a single continuous plasma.
  • a coating device is known with a deposition device and a device for generating a plasma of low ion energy.
  • the deposition and plasma devices can be operated selectively, so that a composite layer is formed which has at least several layers.
  • the composition of each layer can be selected from at least one of the following substances: a first metal, a second metal, an oxide of the first metal, an oxide of the second metal, mixtures of the first and second metals and oxides of mixtures of the first and second metals ,
  • the object of the invention is to provide a method for producing thin layers with which the composition of the layer can be reliably influenced in situ, and to provide an apparatus for carrying out the method.
  • the targeted deposition of a substoichiometric layer in the area of a sputtering device allows an increase in the coating rate, since the subsequent plasma action can oxidize thicker layers to the stoichiometric oxide in a shorter time.
  • the reactive deposition according to the invention of a layer with a predetermined layer thickness with an optical loss that falls below a predetermined minimum value and subsequent exposure to plasma allows relatively rapid production of layers with low optical losses.
  • the sputtering process is less likely to come to a standstill due to disturbances such as flashovers or cathode arcing, while layers of high quality are simultaneously formed.
  • the structure and / or stoichiometry of the layers is changed by means of the reaction device.
  • the invention provides for an interface with a thickness d
  • This method makes it possible to comprehensively control the change in the structure and / or stoichiometry of the layers and preferably to produce multilayer layers with low optical losses or low optical reflection and high transmissions.
  • the method according to the invention for producing multi-layers with minimal optical losses is based on the knowledge that the deposited layers should have a complete stoichiometry between a first constituent and a reactive constituent, if possible.
  • Sputter process operated in a mode of controlled substoichiometry and in a second step the missing portion of the reactive constituent is made available by the action of the additional plasma source.
  • the sequence is
  • a sputter coating is carried out using a metallic silicon target, with a
  • Reactive gas flow from oxygen is used and to a substoichiometric
  • Plasma activation with oxygen as a reactive gas which leads to a completely stoichiometric Si0 2 layer.
  • the deposition of such layers is determined by parameters that are material-dependent.
  • further measures are taken in the production of layers, in particular multilayer layers with a high refractive index layer and an adjacent low refractive index layer, for example between Nb 2 0 5 and Si0 2 , in order to reduce optical losses.
  • These measures are preferably indicated because, due to the extremely high reactivity of silicon, a substoichiometric compound such as SiO-.
  • a low-refractive-index layer with a certain thickness which is in a largely or fully stoichiometric state, is preferably applied in, for example, a region of the interface which is directly adjacent to the high-index material.
  • this layer can typically have a thickness of 3.6 nm in the case of SiO 2 .
  • This area of the interface acts as a barrier for the protection of the highly refractive layer underneath.
  • the parameters of the sputtering process can be changed in the direction of the deposition of layers with a higher degree of substoichiometry or a higher value of the deficit DEF of the reactive component. Accordingly, it has an SiO 2 layer produced by the method according to the invention, an internal structure, a first part having a small deficit in oxygen and a second part having a higher value of the deficit.
  • thin layers can be deposited with high precision and excellent quality.
  • the production of oxidic, carbidic and nitridic layers with high optical quality is possible.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a preferred arrangement of substrate, target and plasma source for the oxidation of a layer.
  • FIG. 6 shows an example of the optical transmission of a layer as a function of the wavelength with and without rf plasma source as a parameter of the family of curves.
  • FIG. 7 shows an example of the optical transmission of a layer as a function of the wavelength with the substrate speed as a parameter of the family of curves.
  • Fig. 9 The structure of a multilayer layer with an interface.
  • Fig. 10 The influence of the number of interfaces in a multilayer layer on transmission and reflection.
  • Fig. 1 1 The effect of minimizing the optical loss for a multilayer layer according to the inventive method.
  • FIG. 13 shows transmission and reflection for a multilayer layer with low optical losses, for example for broadband filters.
  • 14 Optical losses for a multilayer layer for different thicknesses of an interface.
  • A corresponds to a thickness of 2.7 nm
  • B corresponds to a thickness of 3.6 nm.
  • 16 shows value profiles of various process parameters in the case of reactive cathode sputtering of silicon.
  • layers with low optical losses can be produced by reactive sputtering without breaking the vacuum, which layers contain reaction components such as oxygen, carbon or nitrogen.
  • reaction components such as oxygen, carbon or nitrogen.
  • An oxide production is described below; however, the method is also suitable for carbides or nitrides or mixtures such as oxynitrides or carbonitrides or the like, it also being possible for two or more reactive gases (reactive gases) to be used simultaneously as the reactive component.
  • FIG. 1 shows a schematic sketch of a preferred arrangement for depositing a layer according to an embodiment of the invention.
  • An oxide layer 1 is deposited in a vacuum chamber 10 with a residual gas on a substrate 2.
  • Vacuum chamber 10 is divided into several areas A, B, C. Preferably everyone has
  • Area A, B, C has its own gas supply, not shown, as well as its own
  • the vacuum is preferably hydrocarbon-free and is generated using a dry-running pump set. There can also be more than three
  • Areas may be provided.
  • the areas A, B, C are preferably separated from one another
  • Process stations namely sputtering devices or a plasma source, are reached in areas A, B, C.
  • the process stations are preferably decoupled in terms of plasma.
  • the pressures preferably the partial pressures of gases in the residual gas
  • (Sputter gas) of the system can be set essentially independently.
  • an inert gas such as argon Ar and a reactive gas is preferred.
  • Oxygen 0 2 contained in the residual gas Oxygen 0 2 contained in the residual gas.
  • a first cathode sputtering source is provided in area A as sputtering device 3, preferably a magnetron source, particularly preferably a known magnetron source system with two adjacent ones Magnetron arrangements, also known as twin mags.
  • the power supply can be a supply unit with DC, DC pulse or medium frequency (MF) or high frequency (HF) or a combined DC-HF supply.
  • MF medium frequency
  • HF high frequency
  • Typical voltage ranges of the sputter cathode are 400V to 800V.
  • An MF source with 40 kHz is preferably used.
  • a sputtering material of a target is atomized by means of reactive sputtering, a sputtering material-oxygen compound being deposited on the walls of the vacuum chamber 1 and on the substrates 2 at a working point-dependent sputtering rate.
  • Preferred sputtering materials are metals and metal alloys such as Al, Nb, Hf, Ta, Ti, Zr, TiNb and semiconductors such as Si.
  • a plasma source 5 Arranged in region B is a plasma source 5 which generates a plasma which contains excited ions and radicals of the reactive constituent of the residual gas.
  • the reactive particles act on the deposited layer and further oxidize it.
  • the plasma source 5 can, for example, be a DC, HF, MF or DC pulse or DC + HF microwave plasma source device, in particular a Hall End plasma source, a hot cathode DC plasma source, a high-frequency plasma source, a medium-frequency or a pulsed one DC plasma source.
  • the energy of the plasma source 5 is adjustable, preferably in a range from 10 eV to 200 eV or also 400 eV.
  • An ECWR plasma source (electron cyclotron wave resonance) is preferably used, in which the energy of the plasma particles can be adjusted largely independently of the plasma density in the plasma source 5.
  • a heating device can be arranged, preferably a radiant heater with quartz radiators.
  • infrared emitters can also be provided. This allows the substrates to be heated to several hundred degrees, for example to 250 ° C.
  • a region C is provided in which a second cathode sputtering source 7 is arranged diametrically opposite one another, which is preferably designed like the first cathode sputtering source 3.
  • further sputtering devices and / or plasma sources are provided in the vacuum chamber.
  • An optical measuring device (optical monitor) 8 for optical monitoring is arranged spatially between the areas A and C, by means of which the optical properties of the growing layers can be determined.
  • transmission and / or reflection of a layer are preferably measured intermittently on at least one of the substrates in order to determine optical properties of the applied layer.
  • the growing optical layer thickness can also be checked in this way.
  • a preferably planar transport device 6 moves a substrate 2 at least once in succession past at least one cathode sputtering source 3, 7 and at least one station with a plasma source 5.
  • the transport device 6 is preferably a substrate turntable with an adjustable speed of, for example, 1 to 500 rpm.
  • the acceleration to high target speeds can take place in a few steps and in each case within the same area A, B, C.
  • a drum-shaped device known per se for holding and transporting the substrates can also be used. In this case, the sputtering device and the plasma source are assigned to a peripheral surface area of the drum.
  • one or more substrates 2 are attached to the turntable 6.
  • one of the substrates shown as a circle in FIG. 1 is identified by a reference symbol.
  • the substrate 2 is moved by the turntable 6 under the first sputtering source 3.
  • the target is sputtered by cathode sputtering, material knocked out of the target being deposited on the substrate.
  • an argon-oxygen mixture is used as the sputtering gas, so that the layer 1 growing on the substrate 2 is an oxide.
  • the cathode sputtering process is operated in such a way that a connection layer with a predetermined composition is deposited in a targeted manner in the area A or C while adding a reactive component.
  • Layer 1 is formed with at least two constituents, reactive component 0 2 forming one of the constituents and, based on component 0 2 , layer 1 produced substoichiometrically. Based on a stoichiometric connection of the constituents, layer 1 is deposited with a predetermined deficit, for example of at most 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 or less atomic percent of the reactive component 0 2 .
  • component 0 2 is then increased in situ in region B by means of a plasma action on layer 1 in layer 1 up to the stoichiometric composition and / or the structure of the layer is modified.
  • another reactive gas can also be supplied in region B.
  • the partial pressure of the component 0 2 in the region of the sputtering source 3 is regulated to a substantially constant value during the coating of the substrate 2.
  • the partial pressure of component 0 2 is advantageously set via its gas flow. It is also possible to set the oxygen partial pressure constant via the electrical power of the cathode sputtering source 3, the rate being able to be kept constant to a particularly high degree over the target service life.
  • an intensity of a plasma emission line preferably an emission line for the target material, of the reactive constituent or a combination of both can be regulated to a substantial constant value in the area A of the sputtering source 3 during the coating of the substrate 2. This can be set via the gas flow of the component 0 2 and / or the electrical power of the sputtering source 3.
  • the layer properties can also be varied by changing the speed at which the substrate 2 is guided past the plasma source 5 and / or the cathode sputtering source 3.
  • a layer can also be produced in several intermediate steps by sub-stoichiometric deposition / oxidation.
  • multiple layers can be deposited, in which varying refractive indices along a growing total layer are achieved by varying the layer parameters in individual layers.
  • Such multiple layers can be deposited in a controlled manner, for example, by adjusting the coating and / or oxidation time and / or the number of rotations and / or by means of the optical measuring device 8 the coating is controlled on the basis of the optical properties of the growing layer or layer sequence.
  • a layer having a predetermined layer thickness and having optical losses less than a predetermined minimum value is deposited on the substrate in region A of the sputtering source 3 with the addition of a predetermined amount.
  • the generally wavelength-dependent attenuation of a light wave incident on a layer is referred to as optical loss in a manner known per se.
  • the optical losses can be determined from measurements of transmission and reflection. Since the scattered light is related to the roughness of a surface due to diffuse scattering, the optical losses of a layer can also be used to draw conclusions about the surface properties. According to the invention, the optical losses are preferably determined by means of the optical measuring device (optical monitor) 8.
  • the optical monitor 8 is particularly preferably designed as a single-wavelength or multi-wavelength spectrometer, in particular as a spectrophotometer or egg lipometer, particularly preferably spectral ellipsometer. After a predetermined layer thickness has been deposited, the optical losses are determined, and layer properties are set as a function of a signal from the optical monitor 8. When using a spectrophotometer, transmission, absorption and reflection in a predetermined spectral range and as a function of the Layer thickness can be determined.
  • the process control for producing a layer by reactive sputtering with a subsequent modification of the applied layer is described below.
  • Other process controls are also encompassed by the invention.
  • a magnetron source system with two adjacent magnetron arrangements with two niobium targets is used as the sputtering device.
  • the targets are operated alternately in an MF range, for example at a frequency of 40 kHz.
  • Both targets are assigned with Shuttera, with which the sputtering device can be isolated from the substrates.
  • the plasma source which is also assigned a shutter, is controlled in a radio frequency range.
  • the sputtering device is set to an operating point, the shutters being closed to stabilize the process.
  • An inert gas and a reactive component are admitted into the area of the sputtering device. There is also an inlet of an inert gas and a reactive component into the area of the plasma source.
  • the substrate carrier for example a planar turntable, is accelerated to a target speed.
  • the plasma from the plasma source is ignited.
  • the sputtering plasma of the cathode sputtering device which is brought to a predetermined target power.
  • a partial pressure control is then activated in the area of the sputtering device.
  • a predetermined partial pressure setpoint is preferably stabilized via the cathode power.
  • the coating of the substrates is started.
  • the shutters are opened. It has been shown that only a slight change in the control parameters set in the operating point is necessary by opening the shutter.
  • a desired layer thickness can be controlled via a coating time or a number of rotations.
  • An in-situ optical layer thickness measurement by the optical monitor 8 is particularly preferred.
  • the reactive deposition of a layer takes place in an operating point of a characteristic curve or a characteristic diagram, which is selected depending on sputtering material and reactive component material in order to minimize an optical loss of the deposited layer or of the layer modified by the action of plasma.
  • FIG. 2 shows a characteristic curve of the dependence of a reactive gas flow on a partial pressure of the reactive component in a sputtering process in an example with an aluminum target and with oxygen as a reactive component and constant output of the sputtering device (sputtering output).
  • the oxygen flow first rises steeply and drops after an apex S in order to rise again after a minimum at higher partial pressure.
  • the oxygen partial pressure is very low, a state arises with a largely metallic target surface, metallic layers being deposited on the substrate.
  • Oxide or compound mode in which the target surface is completely covered with reaction products and stoichiometric layers with unfavorable layer properties grow on the substrate.
  • the arrow labeled O indicates the transition to the oxide or compound mode.
  • the dashed curve in FIG. 2 describes the associated deposition rate. It can be seen that this is at a maximum at a low reactive gas partial pressure and drops as the reactive gas partial pressure increases until it reaches a saturation range parallel to the abscissa.
  • the transition to the metallic area only takes place at lower oxygen partial pressures, so that the characteristic curve has a hysteresis.
  • the area between the vertex and the minimum of the characteristic curve is generally not accessible without complex control measures, but enables the deposition of substoichiometric layers with a high deposition rate.
  • the method according to the invention is preferably carried out in a predetermined region of the characteristic curve with an increasing or decreasing gas flow near the apex S, since relatively high sputtering rates can be achieved here.
  • the area near the vertex S of the characteristic is particularly preferred, with a gas flow of the first component 0 2 which, when layer 1 is deposited, is at most 50% below the maximum value at the vertex S, particularly preferably at most 20% to 10% below the maximum value is at the apex S.
  • a high deposition rate of a substoichiometric layer can be achieved, which is subsequently exposed to plasma.
  • TiNb can be worked according to the invention in the transition area to the right of the apex S, while for other materials such.
  • B. AI Si the area to the left of the apex S is preferred.
  • FIG. 3 shows a characteristic curve with a constant reactive gas flow, in which a desired value of a reactive gas partial pressure is set with the aid of the sputtering power.
  • the substoichiometric range is here to the left of the arrow labeled O. This control method is preferred according to the invention, but not sputtered exclusively in an area around the minimum of the characteristic curve.
  • a constant reactive gas flow is used in the characteristic curve shown in FIG. 5, a target value of a quotient of a sputter rate and a reactive gas partial pressure being regulated to a predetermined target value with the aid of the electrical power of the sputtering device.
  • the solid curve denotes the characteristic curve for oxygen as a reactive gas
  • the dashed curve denotes the characteristic curve for nitrogen as a reactive gas.
  • the arrows labeled 01 and 02 indicate the transition from a substoichiometric right of the transition to a stoichiometric regime to the left of the transition, each for oxygen or nitrogen as a reactive gas. It can be seen that the position of this transition depends on the reactive gas used.
  • the quotient of sputter rate and reactive gas partial pressure can be determined from a quotient of a material and reactive gas partial pressure plasma line intensity.
  • Material here means the material of the sputter cathode; in the present case silicon.
  • Typical values for the present device are 40 sccm / min for the argon flow and 30 sccm / min for the oxygen flow in the area of the sputtering device.
  • An oxygen partial pressure is preferably determined from the signal of a lambda probe arranged in the area of the sputtering device.
  • the typical power of such a dual magnetron cathode station in the method according to the invention is in the range of 4 KW.
  • the typical oxygen flow is in a range of 20 sccm / min, while the argon flow is in a range of 2 sccm / min.
  • the power in an RF operation is in the range of 1 KW.
  • a control unit is provided to regulate the sputtering device 3, 7 and the plasma source 5, as well as the movement of the substrates.
  • Control takes place in a parameter space in which characteristic curves or characteristic maps are spanned, as has already been explained in more detail.
  • a signal from the optical monitor 8 is used to set the operating parameters for optimizing the optical quality, in particular for minimizing the optical losses of the deposited layer. This is preferably done online. Such a regulation is also provided in layers or in the case of a transition from one layer to the next. It is particularly preferred to use the optical signal to carry out a guiding control to take long-term drifts in the layer properties, such as transmission, reflection, and / or optical losses into account.
  • the function of the overall device comprising the sputtering device 3, 7 and the plasma source 5 is optimized with regard to the optical properties of the deposited and modified layer or with regard to the speed of the layer production.
  • the control device is used to select corresponding operating points on a characteristic curve with subsequent exposure to plasma and to determine an optimization value.
  • Optical monitoring can take place immediately after each sputtering by the sputtering device 3, 7 and / or after exposure to plasma by the plasma source 5 on at least one substrate.
  • FIG. 6 shows an example of the optical transmission of a layer produced using the method according to the invention as a function of the wavelength (upper curve Si) in comparison with a layer which, after the substoichiometric deposition, was not exposed to the oxygen plasma from the plasma source 5 (lower curve S 2 ).
  • the coating parameters of the two layers are the same except for the oxidation in the area of the plasma source 5.
  • the substoichiometric layer shows a very low transmission but very high losses, so that it is unusable as an anti-reflective layer or filter or the like. It can clearly be seen that the oxidation by the action of plasma enables a very effective improvement of the layer properties (upper curve S-,).
  • FIG. 7 shows an example of an optical transmission of a layer as a function of the wavelength with the substrate speed as a parameter of the family of curves. At a high speed of 180 or 120 rpm, for example, the optical transmission of the layer is higher (upper curve) than only half the speed of 60 rpm (lower curve).
  • 8 shows examples of individual layers of different thicknesses which were produced in accordance with the invention.
  • Curves A and B denote Nb 2 0 5 layers with a thickness of 1,000 nm and 500 nm, respectively.
  • Curve C denotes a Ta 2 0 5 single layer with a thickness of 1,000 nm.
  • Curves D and E denote SiO 2 - Layers with a thickness of 1,000 nm or 500 nm. It can be seen that the optical losses depend on the material used, the layer thickness and the wavelength. Overall, the optical losses are very small and only increase in the area of the absorption edge of the material in question.
  • a high-index material such as Nb 2 0 5 , Ta 2 0 5 , Ti0 2 , Zr0 2 , Al 2 0 3 require a deposition in the reactive sputtering with only a small oxygen deficit for a small optical loss, the layers thereafter exposed to reactive plasma from the plasma source.
  • the energy of the particles of the reactive plasma of the plasma source 5 is preferably less than 50 eV.
  • a low optical loss can also be achieved with a greater oxygen deficit in reactive sputtering and subsequent exposure to the reactive plasma from the plasma source.
  • the layers which are initially produced substoichiometrically with a defined lack of oxygen and are then oxidized to the stoichiometric oxide by the action of plasma.
  • 0.2 to 0.4 nm is deposited per revolution.
  • the deposited layer is preferably X-ray amorphous or nanocrystalline with a smooth surface, but at the same time has a dense structure free of voids, so that water is avoided from the atmosphere, which would otherwise lead to undesirable changes in refractive index.
  • the improved surface structure is essentially due to the action of plasma, which can replace a bias voltage applied to the substrate in the prior art.
  • a change in the structure and / or stoichiometry of the layers is also provided by means of a reaction device.
  • the first layer can also be a substrate.
  • in a region of the second layer adjoining the first layer is shown in FIG. 9.
  • Any reactive coating device can be used as the coating device, in particular devices that operate on the principle of physical vapor deposition, such as vapor deposition or sputtering techniques.
  • DC or AC magnetron sources are particularly preferred.
  • a plasma source for example a DC, HF, MF or DC pulse or DC plus HF or microwave plasma device, is preferred as the reaction device.
  • Multilayer layers of alternating high and low refractive index layers are preferred.
  • the multilayer layers can also consist of alternating high, low and middle refractive layers.
  • a layer with a refractive index between 1, 3 and 1, 5 is referred to as low refractive index.
  • Middle refractive layers have a refractive index between 1.5 and 1.9.
  • high-index materials in this sense are, for example, Nb 2 0 5 , Ta 2 0 5 , Ti0 2 or Zr0 2 .
  • Layers made of SiO 2 for example, have a low refractive index.
  • 79 interfaces for Nb 2 0 5 / Si0 2 .
  • Multilayer layers shown depending on the wavelength. It can be seen from the illustration that the optical losses increase as the number of interfaces or the layers of the multilayer layer increases.
  • the deposition of the layers and a change in the structure and / or stoichiometry of the layers is preferably carried out by the method described above, but can also be carried out by other methods.
  • is built up in a region of the second layer adjacent to the first layer, preferably by means of the coating device and a value of a deficit of the reactive component DEF less than a value DEF
  • is built up, the multilayer layer having an optical loss which is below a predetermined minimum value. It is preferred in the method according to the invention if the thickness d of the interface exceeds a minimum value. The rest of the deposited layer can be reactively deposited with a higher DEF deficit.
  • the interface is particularly preferably produced by the action of the reaction device with the most complete stoichiometry possible.
  • a low-index layer of SiO 2 is preferably deposited on a high-index layer, for example Nb 2 0 5 , Ta 2 0 5 or the like. Carbon or nitrogen can also be used as the reactive component instead of oxygen. A high refractive index can again be deposited on the low refractive index layer.
  • a multilayer layer according to the invention can be produced in various ways. It is particularly simple if values of an instantaneous thickness d (t) of the second layer are determined and as soon as d (t) is greater than a value d
  • the values of the instantaneous thickness d (t) of the second layer can be determined during the deposition of the second layer, for example as a function of a monitoring signal from the optical monitor device (8).
  • FIG. 11 The effect of minimizing the optical loss for a multilayer layer produced by the method according to the invention is illustrated in FIG. 11.
  • Curves A, A ' show greater optical losses than curves B, B'.
  • optical losses as a function of the wavelength are plotted for further illustration of the method according to the invention for individual layers made of high or low refractive index material and for multilayer layers with alternately high refractive index and low refractive index layers.
  • A denotes the values of a multilayer layer with 77 non-optimized interfaces
  • B denotes values of an otherwise identical multilayer layer with 21 non-optimized interfaces are.
  • the losses of B are less than of A because the number of interfaces is only 21 versus 77.
  • the values of a multilayer layer comparable to A, but with optimized interfaces are denoted by XY.
  • Curve XY shows extremely reduced losses compared to curve A for the corresponding multilayer layer.
  • Curves C, D, E and F denote high- and low-refractive single layers with a thickness of 1,000 nm and 500 nm, respectively.
  • Fig. 13 shows transmission and reflection as a function of the wavelength for an Nb 2 0 5 - / Si0 2 multilayer layer, which is produced by the method according to the invention to achieve the lowest optical losses. If you measure the transmission and reflection of a filter as a function of the wavelength, the filter has points of maximum and minimum transmission. Max. Transmission, the reflection is minimal and vice versa. The easiest way to determine the losses is at these points: subtract from 100% Tmax and Rmin or Tmin and Rmax.
  • a multilayer layer according to FIG. 13 is preferably provided for broadband filters.
  • the critical value lies in a range between 2.5 and 10.0 nm, preferably 2.6 nm, 2.7 nm ... 3.6 nm, 3.7 nm, 3.8 nm.
  • the deficit DEF 2 - x of the reactive component should be chosen to be relatively small, corresponding to a value x of the reactive component of SiOx in the region of the interface of greater than 1, 5, 1, 6 ... to 1, 8.
  • relatively thin layers are first produced per rotation of the substrate plate with a relatively low sputtering power and a relatively low oxygen deficit. Reaction is preferred in the transition region to the oxide mode sputtered. After reaching a predefinable layer thickness, for example 3.6 nm, the SiOx layer with a larger oxygen deficit is deposited at a higher power and exposed to the reactive plasma of the plasma source. This is preferably constant.
  • the energy of the layer-forming particles is preferably between a few eV up to 200 eV. It is preferred if the particles of the reactive plasma have an energy of less than 50 eV.
  • FIG. 16 schematically shows the time profiles for important process parameters in reactive sputtering with oxygen as a reactive component, as used in a preferred embodiment of the process.
  • the output of the sputtering device is increased at a time T c . From this point in time T c , the oxygen partial pressure in the area of the sputtering device is reduced.
  • a predetermined layer thickness of, for example, approximately 3 nm is preferably reached at time T c .
  • the layer sputtered up to this point has a relatively small oxygen deficit.
  • the parameter values of variables other than those of the sputtering power or the oxygen partial pressure in the area of the sputtering device can vary over time.
  • the deposition of relatively thin SiOx layers with a relatively low oxygen deficit can ensure that both the interface layer and the layer below it, for example made of Nb 2 0 5 , by virtue of the effect of the reactive plasma source following the SiOx deposition exist as a stoichiometric layer.
  • it can be achieved by such a procedure that any withdrawal of the reactive component, in particular the oxygen, can be compensated for by the reactive SiOx from the layer below (Nb 2 0 5 ) by the action of the plasma source.
  • the SiOx becomes too high deposited, it can still be oxidized to a stoichiometric SiO 2 by the action of reactive plasma, but in some cases becomes so dense that sufficient penetration of the effect of the plasma source to ensure a stoichiometry of the layer below to the layer below the SiOx layer not possible.
  • SiOx newly applied to the already deposited layer can no longer extract oxygen from the layer below, so that the further deposition of SiOx can take place with a higher oxygen deficit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht (1) auf einem bewegbaren Substrat (2) in einer Vakuumkammer (10) mit einem Restgas mittels einer Sputtereinrichtung (3, 7), wobei die Schicht (1) aus zumindest zwei Konstituenten gebildet wird und zumindest ein erster Konstituent ein Sputtermaterial der Sputtereinrichtung (3, 7) und zumindest ein zweiter Konstituent eine Reaktivkomponente des Restgases ist. Es sind folgende Schritte vorgesehen: - Unter Zuführung einer Reaktivkomponente reaktive Abscheidung einer Schicht (1) mit einem vorgegebenen stöchiometrischen Defizit des reaktiven Bestandteils in einem räumlichen Bereich der Sputtereinrichtung (3, 7) auf dem Substrat (2), - Bewegung des Substrats (2) mit der abgeschiedenen Schicht (1) in einen räumlichen Bereich einer Plasmaquelle (5), die in einem vorgegebenen Abstand von der Sputtereinrichtung (3, 7) in der Vakuumkammer (10) angeordnet ist, - Modifizierung der Struktur und/oder Stöchiometrie der Schicht (1) durch Plasmaeinwirkung der Plasmaquelle (5), vorzugsweise unter Zuführung einer vorgegebenen Menge der Reaktivkomponente, zur Verringerung eines optischen Verlustes der Schicht (1). Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Multilayerschicht mit zumindest einer reaktiv betreibbaren Beschichtungseinrichtung (3) und zumindest einer Reaktionseinrichtung (5) in einer Vakuumkammer (10), wobei auf zumindest einem relativ zu der Beschichtungseinrichtung (3) oder der Reaktionseinrichtung (5) bewegbaren Substrat (2) auf einer ersten Schicht eine Abscheidung einer zweiten Schicht mit der Reaktivkomponente erfolgt und eine Änderung der Struktur und/oder Stöchiometrie zumindest einer Schicht mittels der Reaktionseinrichtung (5) erfolgt. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass zur Verringerung eines optischen Verlustes der Multilayerschicht unter einen vorgegebenen Wert in einem an die erste Schicht angrenzenden Bereich der zweiten Schicht ein Aufbau eines Interfaces mit einer Dicke dI und einem Wert eines Defizits der Reaktivkomponente DEF kleiner als ein Wert DEFI erfolgt. Die Erfindung beinhaltet ferner eine Vorrichtung zur Herstellung von Schichten gemäss den beanspruchten Verfahren sowie eine Schicht bzw. eine Multilayerschicht gemäss den erfindungsgemäßen Verfahren.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Multilayerschicht und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dünner Schichten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Herstellung dünner Schichten sind verschiedenste Verfahren aus dem Bereich physikalischer und chemischer Abscheidetechniken bekannt. Abhängig von den gewünschten Eigenschaften der abzuscheidenden Schicht und des gewählten Materialsystems werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt.
Insbesondere für Materialien mit hohem Schmelzpunkt ist die Methode der Kathodenzerstäubung (Sputtern) vorteilhaft, bei der in einem Vakuumbereich, der deutlich über einem typischen Restgasdruck für ein Aufdampfverfahren liegt, durch Einwirken eines elektrischen Feldes ein Plasma gezündet wird, aus dem Ionen auf ein auf hohem elektrischen Kathodenpotential liegendes Target beschleunigt werden und diese Ionen Atome aus dem Target heraus schlagen, welche sich sodann auf den Wänden der Vakuumkammer und auf einem zum Target beabstandeten, üblicherweise auf Masse oder einer geringen Biasspannung liegenden Substrat niederschlagen. Ein Erhitzen der Materialquelle ist dabei nicht notwendig, vielmehr wird das Target beim Prozess gekühlt. Dabei resultiert ein Restgasdruck üblicherweise überwiegend aus einem Inertgas wie etwa Argon, welches keine störenden Einflüsse auf die sich auf dem Substrat bildende Schicht zeigt. Zur Abscheidung von Verbindungen wie Nitride, Carbide oder Oxide oder dergleichen können dem Sputtergas zusätzlich entsprechende Reaktivkgase beigemischt werden.
Das Substrat wird üblicherweise ausserhalb der Plasmazone angeordnet, um eine Schädigung der frisch aufwachsenden Schicht durch Bestrahlung aus dem Plasma oder Rücksputtereffekte zu vermeiden. Die mittlere freie Weglänge der Ionen muss gross genug sein, um mit ausreichender kinetischer Energie, d.h. mit möglichst wenig Störungen durch weitere Stossprozesse im Restgas, auf das Target zu gelangen und andererseits die zerstäubten Atome auf das Substrat gelangen zu lassen, was den möglichen Restgasdruck nach oben begrenzt. Andererseits muss der Druck hoch genug sein, um überhaupt ein stabiles Plasma zünden zu können. Durch magnetfeldunterstützes Kathodenzerstäuben gelingt es, am Target eine erhöhte Elektronendichte zu erzeugen, die in einer hohen Plasmadichte am Target und daher in einer stark erhöhten Zerstäubungsrate resultiert.
Durch Zufügen reaktiver Komponenten, insbesondere Sauerstoff, zum Inertgas können auch Oxide hergestellt werden. Ein solches reaktives Zerstäubungsverfahren ist z.B. aus der WO 01/73151 A1 bekannt. Dort wird der Sauerstoffpartialdruck beim Sputtern des Oxids mittels einer Lambda-Sonde geregelt, damit sich in der aufwachsenden Schicht ein stöchiometrisches Oxid bilden kann. Allerdings reagiert auch das Target mit dem Reaktivgas, so dass konkurrierende Verfahren, nämlich Abtrag einerseits und eine die Abtragung hemmende Oxidbildung an der Targetoberfläche ablaufen. Dies hat wiederum Rückwirkungen auf die elektrischen Potentiale in der Beschichtungskammer, die Plasmabildung und dergleichen. Ebenso bilden die sich auf den inneren Oberflächen der Vakuumkammer abscheidenden Schichten des zerstäubten Materials Getterflächen, welche z.B. Sauerstoff als Reaktivkomponente binden und so zu einer gegenseitigen, schwer vorhersagbaren Abhängigkeit verschiedenster Verfahrensparameter führt. Auch hier ist also der Zusammenhang zwischen den Beschichtungsparametem sehr komplex. Häufig kommt es dabei zu gegenseitiger Beeinflussung, wenn ein einzelner Beschichtungsparameter verändert wird. Je nach abzuscheidendem Schichtmaterial ist es daher notwendig, die Beschichtungsverfahren und die Beschichtungsparameter individuell aufeinander abzustimmen. Dies gilt umso mehr, je komplexer ein abzuscheidendes Schichtsystem ist, etwa bei der Abscheidung von Multischichten mit speziellen Funktionseigenschaften, insbesondere optischen Funktionsschichten. Die erwähnten Probleme sind besonders stark ausgeprägt bei dem sogenannten reaktiven DC- Magnetron-Sputtering von metallischen Verbindungen, bei dem die Forderung nach einer reaktiven Verbindung auf der Substratoberfläche bei gleichzeitiger metallischer Targetoberfläche nur mit hohem Aufwand erreichbar ist. Zur Herstellung von isolierenden Schichten, wie z.B. Si02, Al203 und dergleichen sind daher bereits auch Verfahren entwickelt worden, bei denen mittels jeweils zwei Magnetron-Sputterkathoden, die von einer Wechselstromquelle gespeist werden, zwei Targets alternierend eingesetzt werden. Die Polaritäten der Targetpotentiale ändern sich üblicherweise im KHz Bereich, d.h. jede Elektrode ist abwechselnd Kathode und Anode. Dies führt zu einem definierten Ladungstransport zwischen Kathode und Anode ohne hemmenden Einfluss einer Oxidschicht an den Targetoberflächen, im Gegensatz zum störenden Effekt der sogenannten "disappearing anode" beim reaktiven DC-Magnetron-Sputtering. Ein effizienter Betrieb setzt dabei jedoch voraus, dass in dem sogenannten Übergangsbereich gearbeitet wird, da ansonsten die Oxidbildung an der Targetoberfläche schneller als die Abtragrate ist.
Aus der EP 0 795 623 A1 ist eine Vorrichtung zum Aufbringen dünner Titanoxidschichten mittels reaktiver Kathodenzerstäubung bekannt. Dabei wird die Stromversorgung der Kathode durch ein Signal eines λ-Sonden-Messfühlers, der den Anteil von Sauerstoff in der Vakuumkammer mit einem Referenzgas vergleicht, geregelt. Das Verfahren eignet sich besonders zur langzeitstabilen Abscheidung von Oxiden, die möglichst homogen und mit gleichbleibender Zusammensetzung hergestellt werden sollen.
Aus der DE 42 36 264 C1 ist ein plasmagestütztes Elektronenstrahlbedampfen bekannt, bei dem ein Oxid mit sehr hoher Rate mittels eines Elektronenstrahlverdampfers verdampft und auf einem Substrat abgeschieden wird. Beim Verdampfen dissoziiert jedoch das Oxid, so dass Sauerstoff verloren geht und nicht mehr zur Oxidbildung in der aufwachsenden Schicht zur Verfügung steht. Zwischen Substrat und Verdampfungsquelle befindet sich daher ein Plasmaraum mit einem Sauerstoffplasma, in dem der Dampf auf dem Weg zum Substrat angeregt wird, so dass sich auf dem Substrat ein stöchiometrisches Oxid niederschlagen kann. Je nach Materialsystem gelingt die Abscheidung eines stöchiometrischen Oxids, indem entweder der Partialdruck des Reaktivgases oder die Plasmaparameter während der Beschichtung geregelt werden. Dabei sind die Zusammenhänge sehr komplex und von einem Materialsystem auf ein anderes kaum übertragbar. Eine Variation einzelner Verfahrensparameter führt bei verschiedenen Materialsystemen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Optimierte Abscheideparameter für z.B. Aluminiumoxid führen nicht zu optimalen Ergebnissen z.B. bei Siliziumoxid. Darüber hinaus zeigen sich auch innerhalb ein- und desselben Materialsystems Langzeitdriften verschiedener nicht getrennt erfassbarer Verdampfungsparameter, die zu unerwünschten Änderungen der Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten führen und die Reproduzierbarkeit eines eingefahrenen Beschichtungsprozesses zusätzlich erschweren.
Aus der EP 0 1516 436 E1 ist eine Magnetron-Sputtervorrichtung zur reaktiven Abscheidung eines Materials auf ein Substrat bekannt mit einer Magnetron- Sputtereinrichtung und einer sekundären Plasmaeinrichtung. Die Sputtereinrichtung und die sekundäre Plasmaeinrichtung bilden jeweils Sputter- und Aktivierungszonen, die atmosphärisch und physikalisch benachbart sind. Durch das Zusammenbringen der Sputter- und Aktivierungszone werden die Plasmen beider Zonen zu einem einzigen kontinuierlichen Plasma vermischt.
Aus der EP 0 716 160 B1 ist eine Beschichtungsvorrichtung bekannt mit einer Abscheidungsvorrichtung und einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas von lonen- niedriger Energie. Die Abscheidungs- und Plasmavorrichtungen können selektiv betrieben werden, so dass eine Kompositschicht gebildet wird, die mindestens mehrere Schichten aufweist. Die Zusammensetzung einer jeden Schicht kann aus mindestens einer der folgenden Substanzen ausgewählt sein: ein erstes Metall, ein zweites Metall, ein Oxid des ersten Metalls, ein Oxid des zweiten Metalls, Mischungen des ersten und zweiten Metalls und Oxide von Mischungen des ersten und zweiten Metalls.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung dünner Schichten anzugeben, mit dem zuverlässig in situ die Zusammensetzung der Schicht kontrolliert beeinflusst werden kann, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer optisch verlustarmen Multilayerschicht zu schaffen, insbesondere nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Aufgabe wird mit jeweils den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufoxidieren metallischer Schichten oder Halbleiterschichten, erlaubt insbesondere die gezielte Abscheidung einer substöchiometrischen Schicht im Bereich einer Sputtereinrichtung eine Steigerung der Beschichtungsrate, da die nachfolgende Plasmaeinwirkung dickere Schichten in kürzerer Zeit zum stöchiometrischen Oxid oxidieren kann. Ferner erlaubt die erfindungsgemäße reaktive Abscheidung einer Schicht mit einer vorgegebenen Schichtdicke mit einem optischen Verlust, der einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet, und nachfolgender Plasmaeinwirkung eine relativ schnelle Herstellung von Schichten mit geringen optischen Verlusten. Im Vergleich zu bekannten reaktiven Sputterprozessen kommt der Sputterprozeß weniger durch Störungen wie Überschläge oder Kathoden-Arcing zum Erliegen während gleichzeitig Schichten hoher Qualität gebildet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Multilayerschicht mit zumindest einer reaktiv betreibbaren Beschichtungseinnchtung und zumindest einer Reaktionseinrichtung in einer Vakuumkammer auf zumindest einem relativ zu den besagten Einrichtungen bewegbaren Substrat auf einer ersten Schicht mittels der Beschichtungsstation eine Abscheidung einer zweiten Schicht mit mindestens einer Reaktivkomponente vorgenommen. Mittels der Reaktionseinrichtung erfolgt eine Änderung der Struktur und/oder Stöchiometrie der Schichten. Zur Verringerung eines optischen Verlustes der Multilayerschicht unter einen vorgegebenen Wert ist es erfindungsgemäß vorgesehen, in einem an die erste Schicht angrenzenden Bereich der zweiten Schicht mittels der Beschichtungseinnchtung ein Interface aufzubauen mit einer Dicke d| und einem Wert eines Defizits der Reaktivkomponente DEF kleiner als ein Wert DEF|. Dieses Verfahren ermöglicht die Änderung der Struktur und/oder Stöchiometrie der Schichten umfassend zu kontrollieren und vorzugsweise Multilayerschichten mit geringen optischen Verlusten bzw. einer geringen optischen Reflektion und hohen Transmissionen herzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Muitilayern mit minimalen optischen Verlusten geht von der Erkenntnis aus, dass die abgeschiedenen Schichten möglichst eine vollständige Stöchiometrie zwischen einem ersten Konstituenten und einer reaktiven Konstituenten aufweisen sollte. Erfindungsgemäß wird dabei der reaktive
Sputterprozess in einem Modus kontrollierter Substöchiometrie betrieben und in einem zweiten Schritt der fehlende Anteil des reaktiven Konstituenten durch die Wirkung der zusätzlichen Plasmaquelle zur Verfügung gestellt. Beispielsweise ist die Sequenz zur
Herstellung von stöchiometischen Si02-Schichten wie folgt: In einem ersten Schritt erfolgt eine Sputterbeschichtung unter Verwendung eines metallischen Siliziumtargets, wobei ein
Reaktivgasfluss von Sauerstoff eingesetzt wird und zu einer substöchiometrischen
Verbindung einer Schicht von beispielsweise SiO-,.6 führt. Der zugehörige Wert des Defizits der Reaktivkomponente DEF ist dann 0.4. In einem zweiten Schritt erfolgt eine
Plasmaaktivierung mit Sauerstoff als Reaktivgas, was zu einer vollständig stöchiometrischen Si02-Schicht führt.
Die Abscheidung derartiger Schichten wird durch Parameter bestimmt, die materialabhängig sind. Hierbei ist es erfindungsgemäß stets möglich, einen optimalen Kompromiss zwischen einer hohen Sputterrate und einer maximal erreichbaren Stöchiometrie im ersten Schritt kombiniert mit einer maximal effektiven anschließenden Behandlung durch die Plasmaquelle im zweiten Schritt zu gewährleisten. Erfindungsgemäß werden bei der Herstellung von Schichten, insbesondere Multilayerschichten mit einer hochbrechenden Schicht und einer angrenzenden niedrigbrechenden Schicht, beispielsweise zwischen Nb205 und Si02, weitere Maßnahmen ergriffen, um optische Verluste zu vermindern. Diese Maßnahmen sind vorzugsweise angezeigt, da aufgrund der extrem hohen Reaktivität von Silizium eine substöchiometrische Verbindung wie beispielsweise SiO-,.6, die auf einer vollstöchiometrischen Nb205-Schicht aufgesputtert ist, Sauerstoff aus der Nb205-Schicht entfernt wird, bevor die SlO^-Schicht durch die Plasmaquelle in einen vollstöchiometrischen Zustand verändert worden ist. Dies führt zu einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften von zumindest einigen Schichten des hochbrechenden Materials und damit zu einer Verschlechterung der Multilayerschicht, insbesondere proportional zur Anzahl der involvierten Interfaces. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise, um den beschriebenen Effekt zu verhindern, in beispielsweise einem Bereich des Interfaces, der unmittelbar an das hochbrechende Material angrenzt, eine niedrigbrechende Schicht mit einer gewissen Dicke aufgebracht, die sich in einem weitgehend oder vollstöchiometrischen Zustand befindet. Beispielsweise kann diese Schicht typischerweise eine Dicke von 3.6 nm im Fall von Si02 aufweisen. Dieser Bereich des Interfaces wirkt als Barriere für den Schutz der darunter liegenden hochbrechenden Schicht. Sobald eine kritische Dicke des besagten Bereichs erreicht worden ist, können die Parameter des Sputterprozesses verändert werden in Richtung auf die Abscheidung von Schichten mit einem höheren Grad an Substöchiometrie bzw. einem höheren Wert des Defizits DEF der Reaktivkomponente. Es besitzt demnach eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Si02-Schicht eine interne Struktur, wobei ein erster Teil ein geringes Defizit an Sauerstoff und ein zweiter Teil einen höheren Wert des Defizits aufweist.
Bevorzugt ist die Herstellung von Multilayerschichten mit alternierend aufeinander folgenden Schichten aus einem hochbrechenden und einem niederbrechenden Material. Bevorzugt ist als hochbrechendes Material Nb205, Ta205, Ti02, Zr02 oder Al203 und als niederbrechendes Material Si02 vorgesehen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt die Abscheidung dünner Schichten mit hoher Präzision und ausgezeichneter Güte. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gelingt die Herstellung oxidischer, carbidischer und nitridischer Schichten mit hoher optischer Güte. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen sowie unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen der Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher beschrieben, wobei die Figuren in schematischer Darstellung zeigen:
Fig. 1 Eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Anordnung von Substrat, Target und Plasmaquelle zur Oxidation einer Schicht.
Fig. 2 bis Fig. 5 Kennlinien bei einer reaktiven Kathodenzerstäubung.
Fig. 6 Ein Beispiel der optischen Transmission einer Schicht als Funktion der Wellenlänge mit und ohne rf-Plasmaquelle als Parameter der Kurvenschar.
Fig. 7 Ein Beispiel der optischen Transmission einer Schicht als Funktion der Wellenlänge mit der Substratgeschwindigkeit als Parameter der Kurvenschar.
Fig. 8 Zeigt Beispiele für optische Verluste von Einzelschichten mit unterschiedlichen Schichtdicken.
Fig. 9 Die Struktur einer Multilayerschicht mit Interface.
Fig. 10 Den Einfluss der Anzahl von Interfaces bei einer Multilayerschicht auf Transmission und Reflektion.
Fig. 1 1 Den Effekt einer Minimierung des optischen Verlustes für eine Multilayerschicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Fig. 12 Optische Verluste für Einzel- und Multilayerschichten aus hoch- und niederbrechendem Material und für verschiedene Schichtdicken; die mit A und B bezeichneten Kurven entsprechen Multilayem mit 77 bzw. 21 Interfaces ohne Interfaceoptimierung; die mit C, D, E, F bezeichneten Kurven entsprechen Einzelschichten; eine Multilayerschicht und 77 Interfaces und Interfaceoptimierung ist mit XY bezeichnet.
Fig. 13 Transmission und Reflektion für eine Multilayerschicht mit geringen optischen Verlusten, beispielsweise für Breitbandfilter. Fig. 14 Optische Verluste für eine Multilayerschicht für verschiedene Dicken eines Interfaces. A entspricht einer Dicke von 2,7nm, B einer Dicke von 3,6nm.
Fig. 15 Kennlinien bei einer reaktiven Kathodenzerstäubung von Silizium mit Leistungen von 1 KW und 1.5KW.
Fig. 16 Werteverläufe verschiedener Verfahrensparameter bei einer reaktiven Kathodenzerstäubung von Silizium.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können durch reaktives Sputtern ohne das Vakuum zu brechen Schichten mit geringen optischen Verlusten hergestellt werden, welche Reaktionskomponenten wie Sauerstoff, Kohlenstoff oder Stickstoff enthalten. Im Folgenden wird eine Oxidherstellung beschrieben; das Verfahren ist jedoch auch für Carbide oder Nitride oder Mischungen wie Oxinitride oder Carbonitride oder dergleichen geeignet, wobei auch 2 oder mehr reaktive Gase (Reaktivgase) als Reaktivkomponente gleichzeitig benutzt werden können.
Fig. 1 zeigt eine schematische Skizze einer bevorzugten Anordnung zur Abscheidung einer Schicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine Oxidschicht 1 wird in einer Vakuumkammer 10 mit einem Restgas auf einem Substrat 2 abgeschieden. Die
Vakuumkammer 10 ist in mehrere Bereiche A, B, C eingeteilt. Vorzugsweise hat jeder
Bereich A, B, C eine eigene, nicht dargestellte Gaszuführung, sowie eine eigene
Pumpenversorgung. Vorzugsweise ist das Vakuum kohlenwasserstofffrei und wird mit einem trockenlaufenden Pumpensatz erzeugt. Es können auch mehr als drei solcher
Bereiche vorgesehen sein. Die Bereiche A, B, C sind vorzugsweise voneinander mit
Blenden abgeteilt, die nur durch Schlitze miteinander verbunden sind. Damit wird eine vakuummäßige Trennung von im Folgenden noch näher beschriebenen
Prozessstationen, nämlich Sputtereinrichtungen bzw. eine Plasmaquelle, in den Bereichen A, B, C erreicht. Vorzugsweise sind die Prozessstationen plasmamässig entkoppelt. Die Drücke, vorzugsweise die Partialdrücke von Gasen im Restgas
(Sputtergas) der Anlage können im wesentlichen unabhängig voneinander eingestellt werden. Vorzugsweise ist ein Inertgas wie Argon Ar und ein Reaktivgas, vorzugsweise
Sauerstoff 02 im Restgas enthalten.
Im Bereich A ist als Sputtereinrichtung 3 eine erste Kathodenzerstäubungsquelle vorgesehen, vorzugsweise eine Magnetronquelle, besonders bevorzugt ein an sich bekanntes Magnetronquellensystem mit zwei nebeneinander liegenden Magnetronanordnungen, auch als Twinmag bekannt. Die Stromversorgung kann eine Versorgungseinheit mit DC-, DC-Puls- oder Mittelfrequenz- (MF) oder Hochfrequenz- (HF) oder eine kombinierte DC-HF-Versorgung sein. Typische Spannungsbereiche der Sputterkathode sind 400V bis 800V. Vorzugsweise wird eine MF-Quelle mit 40 kHz eingesetzt.
In dem Bereich A wird mittels reaktivem Sputtern ein Sputtermaterial eines Targets zerstäubt, wobei sich jeweils mit einer arbeitspunktabhängigen Sputterrate ein Sputtermaterial-Sauerstoff-Verbund an Wänden der Vakuumkammer 1 und auf den Substraten 2 niederschlägt. Bevorzugte Sputtermaterialien sind Metalle und Metalllegierungen wie AI, Nb, Hf, Ta, Ti, Zr, TiNb sowie Halbleiter wie Si.
Im Bereich B ist eine Plasmaquelle 5 angeordnet, die ein Plasma erzeugt, welches angeregte Ionen und Radikale des reaktiven Bestandteils des Restgases enthält. Die reaktiven Teilchen wirken auf die abgeschiedene Schicht ein und oxidieren diese weiter. Die Plasmaquelle 5 kann beispielsweise eine DC-, HF- MF- oder DC-Puls- oder DC+HF- Mikrowellen-Plasmaquelleneinrichtung, insbesondere eine Hall End Plasmaquelle, eine Heisskathoden DC-Plasmaquelle, eine Hochfrequenz-Plasmaquelle, eine Mitteifrequenz- oder eine gepulste DC-Plasmaquelle sein. Die Energie der Plasmaquelle 5 ist einstellbar, vorzugsweise auf einen Bereich 10 eV bis 200 eV oder auch 400eV. Vorzugsweise wird eine ECWR-Plasmaquelle (Electron-Cyclotron-Wave-Resonance) eingesetzt, bei der die Energie der Plasmateilchen weitgehend unabhängig von der Plasmadichte in der Plasmaquelle 5 eingestellt werden kann.
In einem Bereich A der Vakuumkammer 10, vorzugsweise zwischen den beiden Bereichen A und B, kann eine Heizvorrichtung angeordnet sein, vorzugsweise eine Strahlungsheizung mit Quarzstrahlern. Alternativ können auch Infrarot-Strahler vorgesehen sein. Damit können die Substrate auf mehrere hundert Grad erhitzt werden, beispielsweise auf 250°C.
Ferner ist ein Bereich C vorgesehen, in dem eine zweite Kathodenzerstäubungsquelle 7 diametral gegenüberliegend angeordnet ist, welche vorzugsweise wie die erste Kathodenzerstäubungsquelle 3 ausgebildet ist. In einer weiteren Ausführungsform sind weitere Sputtereinrichtungen und/oder Plasmaquellen in der Vakuumkammer vorgesehen. Räumlich zwischen den Bereichen A und C ist eine optische Messeinrichtung (optischer Monitor) 8 zum optischen Monitoring angeordnet, mittels der optische Eigenschaften der aufwachsenden Schichten bestimmt werden können. Bevorzugt werden, wie an sich bekannt, Transmission und/oder Reflexion einer Schicht intermittierend auf mindestens einem der Substrate zur Ermittlung von optischen Eigenschaften der aufgebrachten Schicht gemessen. Damit kann insbesondere auch die aufwachsende optische Schichtdicke überprüft werden.
Eine vorzugsweise planare Transporteinrichtung 6 bewegt ein Substrat 2 mindestens einmal nacheinander an mindestens einer Kathodenzerstäubungsquelle 3, 7 und an mindestens einer Station mit einer Plasmaquelle 5 vorbei. Dabei ist die Transporteinrichtung 6 vorzugsweise ein Substrat-Drehteller mit einer einstellbaren Geschwindigkeit von beispielsweise 1 bis 500 rpm. Die Beschleunigung auf hohe Solldrehzahlen kann in wenigen Stufen und jeweils innerhalb desselben Bereichs A, B, C erfolgen. Anstelle einer planaren Transporteinrichtung kann auch eine an sich bekannte trommeiförmige Einrichtung zur Halterung und zum Transport der Substrate eingesetzt werden. In diesem Fall sind Sputtereinrichtung und Plasmaquelle einem peripheren Oberflächenbereich der Trommel zugeordnet.
Üblicherweise werden ein oder mehrere Substrate 2 auf dem Drehteller 6 befestigt. Der Übersichtlichkeit wegen ist nur eines der in der Figur 1 als Kreis gezeigten Substrate mit einem Bezugszeichen bezeichnet.
In der Vakuumkammer 10 wird das Substrat 2 von dem Drehteller 6 unter die erste Kathodenzerstäubungsquelle 3 bewegt. Dort wird durch Kathodenzerstäubung das Target zerstäubt, wobei sich aus dem Target herausgeschlagenes Material auf dem Substrat niederschlägt. Als Sputtergas wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Argon-Sauerstoffgemisch verwendet, so dass die auf dem Substrat 2 aufwachsende Schicht 1 ein Oxid ist.
Gemäß der Erfindung wird der Kathodenzerstäubungsprozess so betrieben, dass in dem Bereich A bzw. C unter Zuführung einer Reaktivkomponente gezielt eine Verbindungsschicht mit vorgegebener Zusammensetzung abgeschieden wird. Die Schicht 1 wird mit zumindest zwei Konstituenten gebildet, wobei der reaktive Bestandteil 02 einen der Konstituenten bildet und, bezogen auf den Bestandteil 02, die Schicht 1 substöchiometrisch hergestellt. Bezogen auf eine stöchiometrische Verbindung der Konstituenten wird die Schicht 1 mit einem vorgegebenen Defizit, beispielsweise von höchstens 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 oder weniger Atomprozent des reaktiven Bestandteils 02 abgeschieden. Anschließend wird in dem Bereich B der Gehalt des Bestandteils 02 in situ mittels einer Plasmaeinwirkung auf die Schicht 1 in der Schicht 1 bis zur stöchiometrischen Zusammensetzung erhöht und/oder die Struktur der Schicht modifiziert. Statt des reaktiven Bestandteils 02 kann im Bereich B auch ein anderes reaktives Gas zugeführt werden.
Besonders günstig ist es, wenn der Partialdruck des Bestandteils 02 in dem Bereich der Kathodenzerstäubungsquelle 3 während der Beschichtung des Substrats 2 auf einen im Wesentlichen konstanten Wert geregelt wird. Günstigerweise wird der Partialdruck des Bestandteils 02 über dessen Gasfluss eingestellt. Es ist auch möglich, den Sauerstoffpartialdruck über die elektrische Leistung der Kathodenzerstäubungsquelle 3 konstant einzustellen, wobei die Rate über die Targetlebensdauer in besonders hohem Masse konstant gehalten werden kann.
Weiterhin kann in dem Bereich A der Kathodenzerstäubungsquelle 3 während der Beschichtung des Substrats 2 eine Intensität einer Plasmaemissionslinie, vorzugsweise einer Emissionslinie für das Targetmaterial, des reaktiven Bestandteils oder eine Kombination beider auf einen wesentlichen Konstantwert geregelt werden. Dieses kann über den Gasfluss des Bestandteils 02 und/oder die elektrische Leistung der Kathodenzerstäubungsquelle 3 eingestellt werden.
Die Schichteigenschaften können auch variiert werden, indem die Geschwindigkeit, mit der das Substrat 2 an der Plasmaquelle 5 und/oder der Kathodenzerstäubungsquelle 3 vorbei geführt wird, verändert wird.
Eine Schicht kann erfindungsgemäß auch über mehrere Zwischenschritte durch unterstöchiometrische Abscheidung/Oxidation hergestellt werden. Weiterhin können Mehrfachschichten abgeschieden werden, bei denen durch Variation der Schichtparameter in Einzellagen wechselnde Brechungsindizes entlang einer aufwachsenden Gesamtschicht erzielt werden. Solche Mehrfachschichten können beispielsweise kontrolliert abgeschieden werden, indem die Beschichtungs- und/oder Oxidationszeit, und/oder die Anzahl der Rotationen eingestellt wird und/oder über die optische Messeinrichtung 8 die Beschichtung anhand der optischen Eigenschaften der aufwachsenden Schicht oder Schichtfolge gesteuert wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird in dem Bereich A der Kathodenzerstäubungsquelle 3 unter Hinzufügung einer vorgegebenen Menge der Reaktivkomponente auf dem Substrat eine Schicht mit einer vorgegebenen Schichtdicke abgeschieden, die optische Verluste geringer als ein vorgegebener Mindestwert aufweist. Als optischer Verlust wird dabei in an sich bekannter Weise die im Allgemeinen wellenlängenabhängige Dämpfung einer auf eine Schicht einfallenden Lichtwelle bezeichnet. Die optischen Verluste können aus Messungen der Transmission und Reflektion ermittelt werden. Da das Streulicht durch diffuse Streuung in einem Zusammenhang mit der Rauhigkeit einer Oberfläche steht, lassen sich aus den optischen Verlusten einer Schicht auch Rückschlüsse auf die Oberflächenbeschaffenheit ziehen. Bevorzugt werden erfindungsgemäß die optischen Verluste mittels der optischen Messeinrichtung (optischer Monitor) 8 bestimmt. Der optische Monitor 8 ist besonders bevorzugt als ein Einweilenlängen- oder Mehrwellenlängen Spektrometer, insbesondere als Spektralfotometer oder Eilipsometer, besonders bevorzugt Spektralellipsometer ausgebildet. Es werden nach Abscheidung einer vorgegebenen Schichtdicke, die optischen Verluste ermittelt und es folgt eine Einstellung von Schichteigenschaften in Abhängigkeit von einem Signal des optisches Monitors 8. Bei Einsatz eines Spektralfotometers können in einfache Weise Transmission, Absorption und Reflektion in einem vorgegebenen Spektralbereich und als Funktion der Schichtdicke ermittelt werden.
Im Folgenden wird für eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Prozessführung zur Herstellung einer Schicht durch reaktives Sputtern mit einer anschließenden Modifikation der aufgebrachten Schicht beschrieben. Andere Prozessführungen sind ebenfalls von der Erfindung umfasst. Als Sputtereinrichtung wird ein Magnetronquellensystem mit zwei nebeneinander liegenden Magnetronanordnungen mit zwei Niob-Targets eingesetzt. Die Targets werden in einem MF - Bereich, beispielsweise mit einer Frequenz von 40 kHz alternierend betrieben. Beiden Targets sind mit Shuttera zugeordnet, mit denen die Sputtereinrichtung gegenüber den Substraten isoliert werden kann. Die Plasmaquelle, welcher ebenfalls ein Shutter zugeordnet ist, wird in einem Radiofrequenzbereich angesteuert. In einem ersten Schritt wird die Sputtereinrichtung in einen Arbeitspunkt eingestellt, wobei zur Stabilisierung des Prozesses die Shutter geschlossen sind. Es erfolgt ein Einlass von einem Inertgas und einer Reaktivkomponente (beispielsweise Argon und Sauerstoff) in dem Bereich der Sputtereinrichtung. Ferner folgt ein Einlass von einem Inertgas und einer Reaktivkomponente in den Bereich der Plasmaqueile. Der Substratträger, beispielsweise ein planarer Drehteller, wird auf eine Sollgeschwindigkeit beschleunigt. In einem weiteren Schritt wird das Plasma der Plasmaquelle gezündet. Es erfolgt ferner eine Zündung des Sputterplasmas der Kathodenzerstäubungseinrichtung, die auf eine vorgegebene Sollleistung gebracht wird. Anschließend wird eine Partialdruckregelung im Bereich der Sputtereinrichtung aktiviert. Vorzugsweise wird ein vorgegebener Partialdrucksollwert über die Kathodenleistung stabilisiert.
In einem zweiten Schritt wird mit der Beschichtung der Substrate begonnen. Hierzu werden die Shutter geöffnet. Dabei hat sich gezeigt, dass nur eine geringe Änderung der im Arbeitspunkt eingestellten Regelungsparameter durch die Öffnung der Shutter notwendig ist. Eine gewünschte Schichtdicke kann über eine Beschichtungszeit bzw. eine Anzahl von Rotationen kontrolliert werden. Besonders bevorzugt ist eine in situ erfolgende optische Schichtdickenmessung durch den optischen Monitor 8.
Erfindungsgemäß erfolgt die reaktive Abscheidung einer Schicht in einem Arbeitspunkt einer Kennlinie oder eines Kennfeldes, der Sputtermaterial- und reaktivkomponentenmaterial-abhängig zur Minimierung eines optischen Verlustes der abgeschiedenen Schicht oder der durch Plasmaeinwirkung modifizierten Schicht gewählt wird. Im Folgenden werden einige bevorzugte Kennlinien dargestellt.
In Fig. 2 ist eine Kennlinie der Abhängigkeit eines Reaktivgasflusses von einem Partialdruck der Reaktivkomponente bei einem Kathodenzerstäubungsprozess in einem Beispiel mit einem Aluminiumtarget und mit Sauerstoff als reaktivem Bestandteil und konstanter Leistung der Sputtereinrichtung (Sputterleistung) angegeben. Bei kleinen Werten des Partialdrucks steigt der Sauerstofffluss zuerst steil an und fällt nach einem Scheitelpunkt S ab, um bei höherem Partialdruck nach einem Minimum wieder anzusteigen. Bei sehr niedrigem Sauerstoffpartialdruck stellt sich ein Zustand mit einer weitgehend metallischen Targetoberfläche ein, wobei metallische Schichten auf dem Substrat deponiert werden. Wird der Sauerstoffpartialdruck über einen Wert, der dem Scheitelpunkt entspricht, erhöht, folgt bei flußgeregeltem Prozess ein Übergang zu einem Oxid- oder Compound-mode, bei der die Targetoberfläche vollständig mit Reaktionsprodukten belegt ist und stöchiometrische Schichten mit ungünstigen Schichteigenschaften auf dem Substrat aufwachsen. Der mit O bezeichnete Pfeil gibt den Übergang zu dem Oxid- oder Compound-mode an. Die gestrichelte Kurve in Figur 2 beschreibt die zugehörige Abscheidungsrate. Es ist ersichtlich, dass diese bei einem niedrigen Reaktivgaspartialdruck maximal ist und bei wachsendem Reaktivgaspartialdruck abfällt, bis sie in einen Sättigungsbereich parallel zur Abszisse kommt. Vom oxidischen her kommend, findet der Übergang in den metallischen Bereich erst bei niedrigerem Sauerstoff-Partialdrücken statt, so dass die Kennlinie eine Hysterese aufweist. Der Bereich zwischen dem Scheitelpunkt und dem Minimum der Kennlinie ist im allgemeinen nicht ohne aufwendige Regelungsmaßnahmen zugänglich, ermöglicht jedoch die Abscheidung von substöchiometrischen Schichten mit einer hohen Abscheidungsrate. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in einem vorgegebenen Bereich der Kennlinie mit ansteigendem oder abfallendem Gasfluss nahe des Scheitelpunktes S durchgeführt, da hier relativ hohe Sputterraten erreicht werden können. Besonders bevorzugt ist der Bereich nahe dem Scheitelpunkt S der Kennlinie, mit einem Gasfluss des ersten Bestandteils 02 welcher bei der Abscheidung der Schicht 1 höchstens um 50%, unterhalb des Maximalwerts im Scheitelpunkt S, besonders bevorzugt höchstens 20% bis 10% unterhalb des Maximalwerts im Scheitelpunkt S liegt. In diesem Bereich ist eine hohe Abscheidungsrate einer substöchiometischen Schicht erreichbar, die anschließend einer Plasmaeinwirkung ausgesetzt wird. Materialabhängig, z. B. bei Ti, Nb, TiNb kann erfindungsgemäß in dem Übergangsbereich rechts des Scheitelpunktes S gearbeitet werden, während für andere Materialien, z. B. AI, Si der Bereich links des Scheitelpunktes S bevorzugt wird.
In Fig. 3 ist analog eine Kennlinie bei einem konstant gehaltenen Reaktivgasfluss dargestellt, bei der ein Sollwert eines Reaktivgaspartialdrucks mit Hilfe der Sputterleistung eingestellt wird. Der substöchiometrische Bereich liegt hier links des mit O bezeichneten Pfeils. Bei diesem Regelungsverfahren wird erfindungsgemäß bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich in einem Bereich um das Minimum der Kennlinie gesputtert.
In Fig. 4 ist eine weitere Kennlinie dargestellt, bei der bei konstanter Sputterleistung ein Sollwert einer Sputterkathodenspannung mit Hilfe eines Reaktivgasflusses und in dem Bereich rechts des mit O bezeichneten Übergangs zu einer substöchiometrischen Verbindung eingestellt wird. Bevorzugt ist hier ein Bereich um das Maximum S des Übergangs.
Ein konstanter Reaktivgasfluss wird bei der in Fig. 5 dargestellten Kennlinie verwendet, wobei ein Sollwert eines Quotienten aus einer Sputterrate und einem Reaktivgaspartialdruck mit Hilfe der elektrischen Leistung der Sputtereinrichtung auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird. Die durchgezogene Kurve bezeichnet hierbei die Kennlinie bei Sauerstoff als Reaktivgas, während die gestrichelte Kurve die Kennlinie bei Stickstoff als Reaktivgas bezeichnet. Die mit 01 bzw. 02 bezeichneten Pfeile geben den Übergang von einem substöchiometrischen rechts des Übergangs zu einem stöchiometrischen Regime links des Übergangs jeweils für Sauerstoff bzw. Stickstoff als Reaktivgas an. Ersichtlich ist, dass die Position dieses Übergangs von dem verwendeten Reaktivgas abhängig ist. Ferner ist das im Fall von Sauerstoff rechts des erwähnten Übergangs bei 01 liegende Minimum in der entsprechenden Kennlinie für Stickstoff verschwunden; dem entspricht ein Fehlen einer Hysterese. Der Quotient aus Sputterrate und Reaktivgaspartialdruck kann aus einem Quotienten aus einer Material- und Reaktivgaspartialdruck-Plasmalinienintensität bestimmt werden. Mit Material ist hierbei das Material der Sputterkathode gemeint; im vorliegenden Fall Silizium. Eine derartige Zweilinienmessung hat den Vorteil, dass das Ergebnis relativ unabhängig von einer Verschmutzung eines Lichtleitereintrittsfensters ist, durch das die entsprechenden Emissionslinien gemessen werden.
Typische Werte für die vorliegende Einrichtung sind für den Argonfluss 40 sccm/min und für den Sauerstofffluss 30 sccm/min im Bereich der Sputtereinrichtung. Bevorzugt wird ein Sauerstoffpartialdruck aus dem Signal einer im Bereich der Sputtereinrichtung angeordneten Lambdasonde bestimmt. Die typische Leistung einer derartigen Dual Magnetronkathoden Station bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt im Bereich von 4 KW. Im Bereich der Plasmaquelle ist der typische Sauerstofffluss in einem Bereich von 20 sccm/min, während der Argonfluss in einem Bereich von 2 sccm/min liegt. Die Leistung bei einem RF-Betrieb liegt in einem Bereich um 1 KW.
Zur Regelung der Sputtereinrichtung 3, 7 und der Plasmaquelle 5 sowie der Bewegung der Substrate ist eine zeichnerisch nicht dargestellte Steuereinheit vorgesehen. Die
Regelung erfolgt in einem Parameterraum, in dem Kennlinien bzw. Kennfelder aufgespannt sind, wie bereits genauer erläutert wurde. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Signal des optischen Monitors 8 herangezogen wird, um die Betriebsparameter zur Optimierung der optischen Qualität, insbesondere zur Minimierung der optischen Verluste der abgeschiedenen Schicht einzustellen. Dies erfolgt vorzugsweise online. Ebenso ist eine derartige Regelung schichtweise oder bei einem Übergang von einer Schicht zur nächsten vorgesehen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des optischen Signals für die Durchführung einer Führungsregelung zur Berücksichtigung von Langzeitdriften in den Schichteigenschaften, wie Transmission, Reflektion, und/oder optischer Verluste. Ferner wird die Funktion der die Sputtereinrichtung 3,7 und die Plasmaquelle 5 umfassenden Gesamtvorrichtung in Hinblick auf optische Eigenschaften der abgeschiedenen und modifizierten Schicht oder in Hinblick auf die Geschwindigkeit der Schichtherstellung optimiert. Hierzu werden beispielsweise mittels der Steuereinrichtung entsprechende Arbeitspunkte auf einer Kennlinie bei anschließender Plasmaeinwirkung gewählt und ein Optimierungswert bestimmt.
Optisches Monitoring kann unmittelbar nach jedem Sputtern durch die Sputtereinrichtung 3, 7 und/oder nach einer Plasmaeinwirkung durch die Plasmaquelle 5 auf mindestens einem Substrat erfolgen.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel der optischen Transmission einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schicht als Funktion der Wellenlänge (obere Kurve S-i) im Vergleich mit einer Schicht, welche nach der unterstöchiometrischen Abscheidung nicht dem Sauerstoffplasma aus der Plasmaquelle 5 ausgesetzt wurde (untere Kurve S2). Die Beschichtungsparameter der beiden Schichten sind bis auf die Oxidation im Bereich der Plasmaquelle 5 gleich. Die unterstöchiometrische Schicht zeigt eine sehr geringe Transmission dafür aber sehr hohe Verluste, so dass diese als Antireflexschicht oder Filter oder dergl. unbrauchbar ist. Offenbar ist zu erkennen, dass die Oxidation durch die Plasmaeinwirkung eine sehr effektive Verbesserung der Schichteigenschaften ermöglicht (obere Kurve S-,).
Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer optischen Transmission einer Schicht als Funktion der Wellenlänge mit der Substratgeschwindigkeit als Parameter der Kurvenschar. Bei einer hohen Geschwindigkeit von z.B. 180 oder 120 U/min ist die optische Transmission der Schicht höher (obere Kurve) als nur mit halber Geschwindigkeit von z.B. 60 U/min (untere Kurve). Fig. 8 zeigt Beispiele von Einzelschichten unterschiedlicher Dicke, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden. Hierbei bezeichnen die Kurven A und B Nb205-Schichten mit einer Dicke von 1.000 nm bzw. 500 nm. Die Kurve C bezeichnet eine Ta205- Einzelschicht mit einer Dicke von 1.000 nm. Die Kurven D und E bezeichnen Si02- Schichten mit 1.000 nm bzw. 500 nm Dicke. Erkennbar ist, dass die optischen Verluste von dem verwendeten Material, von der Schichtdicke und der Wellenlänge abhängig sind. Insgesamt sind die optischen Verluste sehr klein und steigen nur im Bereich der Absorptionskante des betreffenden Materials an.
Erfindungsgemäß abgeschiedene Einzelschichten aus einem hochbrechenden Material wie Nb205, Ta205, Ti02, Zr02, Al203 erfordern für einen geringen optischen Verlust eine Abscheidung bei dem reaktiven Sputtern mit nur geringem Sauerstoffdefizit, wobei die Schichten danach dem reaktiven Plasma der Plasmaquelle ausgesetzt werden. Die Energie der Teilchen des reaktiven Plasmas der Plasmaquelle 5 ist dabei bevorzugt kleiner als 50 eV. Für niederbrechende Einzelschichten wie Si02 kann ein geringer optischer Verlust auch mit einem größeren Sauerstoffdefizit beim reaktiven Sputtern und nachfolgender Einwirkung des reaktiven Plasmas der Plasmaquelle erreicht werden.
Erfindungsgemäß ergibt sich eine ausgezeichnete optische Qualität der Schichten, die zunächst substöchiometrisch mit einem definierten Sauerstoffmangel hergestellt und anschließend durch Plasmaeinwirkung zum stöchiomethschen Oxid aufoxidiert werden. Pro Umlauf wird typischerweise 0,2 bis 0,4 nm abgeschieden. Die abgeschiedene Schicht ist vorzugsweise röntgenamorph oder nanokristallin mit einer glatten Oberfläche, weist jedoch gleichzeitig eine dichte Struktur frei von Hohlräumen sogenannten voids auf, so dass eine Vermeidung von Wassereinbau aus der Atmosphäre erreicht wird, was ansonsten zu unerwünschten Brechwertänderungen führen würde. Die verbesserte Oberflächenstruktur ist wesentlich auf die Plasmaeinwirkung zurückzuführen, die insofern eine im Stand der Technik übliche Beaufschlagung des Substrats mit einer Bias - Spannung ersetzen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von verlustarmen Multilayerschichten, bei der auf einer ersten Schicht mittels einer reaktiv betreibbaren Beschichtungseinnchtung eine Abscheidung einer zweiten Schicht mit mindestens einer Reaktivkomponente erfolgt, ist ebenfalls eine Änderung der Struktur und/oder Stöchiometrie der Schichten mittels einer Reaktionseinrichtung vorgesehen. Die erste Schicht kann auch Substrat sein. Eine schematische Darstellung einer Multilayerschicht auf einem Substrat mit einer ersten Schicht, einer zweiten Schicht und einem Interface der Dicke d| in einem an die erste Schicht angrenzenden Bereich der zweiten Schicht ist in Fig. 9 gezeigt. Als Beschichtungseinnchtung kann dabei jede reaktiv betreibbare Beschichtungseinnchtung eingesetzt werden, insbesondere Einrichtungen, die nach dem Prinzip des physical vapor deposition, wie etwa Aufdampf- oder Sputtertechniken arbeiten. Besonders bevorzugt sind DC- oder AC-Magnetronquellen. Als Reaktionseinrichtung ist eine Plasmaquelle, beispielsweise eine DC-, HF-, MF- oder DC-Puls oder DC- plus HF- oder Mikrowellenplasmaeinrichtung bevorzugt.
Bevorzugt sind Multilayerschichten aus abwechselnd hoch- und niederbrechenden Schichten, wie sie insbesondere für optische Filter eingesetzt werden. Die Multilayerschichten können auch aus alternierenden hoch-, nieder- und mittelbrechenden Schichten bestehen. Als hochbrechende Schicht wird eine Schicht mit einem Brechungsindex im Wesentlichen größer als 1 ,9, vorzugsweise zwischen 1 ,9 und 2,6, angesehen.
Als niederbrechend wird eine Schicht mit einem Brechungsindex zwischen 1 ,3 und 1 ,5 bezeichnet. Mittelbrechende Schichten haben ein Brechungsindex zwischen 1 ,5 und 1 ,9. Beispiele für hochbrechende Materialien in diesem Sinne sind beispielsweise Nb205, Ta205, Ti02 oder Zr02. Niederbrechend sind beispielsweise Schichten aus Si02.
In Figur 10 sind Transmissions- bzw. Reflexionswerte mit einer Anzahl von ι = 21 bzw. N| = 79 Interfaces für Nb205 / Si02. Multilayerschichten in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass mit wachsender Anzahl der Interfaces bzw. der Schichten der Multilayerschicht die optischen Verluste wachsen.
Die Abscheidung der Schichten sowie eine Änderung der Struktur und/oder Stöchiometrie der Schichten erfolgt bevorzugt durch das weiter oben beschriebene Verfahren, kann jedoch auch nach anderen Verfahren vorgenommen werden. Zur Verringerung eines optischen Verlustes der Multilayerschicht unter einem vorgegebenen Wert erfolgt in einem an die erste Schicht angrenzenden Bereich der zweiten Schicht, vorzugsweise mittels der Beschichtungseinnchtung ein Aufbau eines Interfaces mit einer Dicke d| und einem Wert eines Defizits der Reaktivkomponente DEF kleiner als ein Wert DEF|.
Erfindungsgemäß erfolgt ein Aufbau eines Interfaces mit einer Dicke dι und einem Wert eines Defizits der Reaktivkomponente DEF kleiner als DEF|, wobei die Multilayerschicht einen optischen Verlust aufweist, der einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet. Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn die Dicke dι des Interfaces einen Mindestwert überschreitet. Der Rest der abgeschiedenen Schicht kann mit einem höheren Defizit DEF reaktiv abgeschieden werden.
Besonders bevorzugt wird das Interface durch Einwirkung der Reaktionseinrichtung mit möglichst vollständiger Stöchiometrie hergestellt.
Bevorzugt wird bei dem beschriebenen Verfahren eine niederbrechende Schicht aus Si02 auf einer hochbrechenden Schicht, beispielsweise Nb205, Ta205 oder dergleichen abgeschieden. Als Reaktivkomponente kann statt Sauerstoff auch Kohlenstoff oder Stickstoff verwendet werden. Auf der niederbrechenden Schicht kann wieder eine hochbrechende abgeschieden werden.
Eine erfindungsgemäße Multilayerschicht kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Besonders einfach ist es, wenn Werte einer momentanen Dicke d(t) der zweiten Schicht ermittelt werden und, sobald d(t) größer als ein Wert d| ist, die Abscheidung der zweiten Schicht mit einem Wert des Defizits der Reaktivkomponente DEF größer als DEFi vorgenommen wird. Dabei kann die Ermittlung der Werte der momentanen Dicke d(t) der zweiten Schicht während der Abscheidung der zweiten Schicht, beispielsweise in Abhängigkeit von einem Monitoring-Signal der optischen Monitoreinrichtung (8) erfolgen.
In Fig. 11 ist der Effekt einer Minimierung des optischen Verlustes für eine Multilayerschicht hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren illustriert. Bei einer Nb205-/Si02-Multilayerschicht sind die Interfaces mit einem unterschiedlich hohen Defizit an Sauerstoff abgeschieden worden. Dabei bezeichnet A, A' die Werte von Reflektion bzw. Transmission in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine Multilayerschicht mit einem relativ großen Defizit an Sauerstoff am Interface, während B, B' die Werte von Transmission bzw. Reflektion für eine Multilayerschicht mit einem relativ geringen Sauerstoffdefizit an Interface bezeichnet. Die Kurven A, A' zeigen größere optische Verluste als die Kurven B, B'.
In Fig. 12 sind zur weiteren Illustrierung des erfindungsgemäßen Verfahrens für Einzelschichten aus hoch- bzw. niedrig brechendem Material und für Multilayerschichten mit abwechselnd hochbrechenden und niederbrechenden Schichten optische Verluste in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufgetragen. Hier sind mit A die Werte einer Multilayerschicht mit 77 nicht optimierten Interfaces bezeichnet, während mit B Werte einer ansonsten gleichen Multilayerschicht mit 21 nicht optimierten Interfaces bezeichnet sind. Die Verluste von B sind geringer als von A, weil die Anzahl der Interfaces nur 21 gegenüber 77 beträgt. Die Werte einer Multilayerschicht vergleichbar mit A, jedoch mit optimierten Interfaces sind mit XY bezeichnet. Die Kurve XY zeigt dabei extrem reduzierte Verluste gegenüber der Kurve A für die entsprechend Multilayerschicht. Die Kurven C, D, E und F bezeichnen hoch- bzw. niedrig brechende Einzelschichten mit einer Dicke von 1.000 nm bzw. 500 nm.
Fig. 13 zeigt Transmission und Reflektion in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine Nb205-/Si02-Multilayerschicht, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erreichung geringster optischer Verluste hergestellt ist. Misst man die Transmission und Reflektion eines Filters als Funktion der Wellenlänge, so hat das Filter Stellen maximaler und minimaler Transmission. An den Stellen max. Transmission ist die Reflektion minimal und umgekehrt. An diesen Stellen lassen sich die Verluste am einfachsten bestimmen: man subtrahiert von 100% Tmax und Rmin oder Tmin und Rmax. Eine Multilayerschicht gemäß Fig. 13 ist bevorzugt für Breitbandfilter vorgesehen.
Fig. 14 illustriert für eine Si02-lnterface-Schicht auf einer hochbrechenden Schicht den Effekt einer Variation der Dicke d der Interface-Schicht auf die optischen Verluste in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die mit A bezeichnete Kurve gibt Werte für eine 2,7 nm dicke Interface-Schicht, die eine deutliche Wellenlängenabhängigkeit zeigt. Im Vergleich dazu sind die Werte für eine 3,6 nm dicke Interface-Schicht mit B bezeichnet und zeigen erheblich geringere optische Verluste sowie eine weitgehende Unabhängigkeit von der Wellenlänge in dem dargestellten Bereich. Aus der Fig. 14 ist ferner ersichtlich, dass eine kritische Dicke der Interface-Schicht existiert, ab der es zu einer deutlichen Reduktion der optischen Verluste kommt, falls der Wert des Defizits der Reaktivkomponente DEF kleiner als ein kritischer Wert DEF| gewählt ist. Bei einer niederbrechenden Schicht Si02 auf einer hochbrechenden Schicht, beispielsweise Nb205, liegt der kritische Wert in einem Bereich zwischen 2,5 und 10,0 nm, vorzugsweise 2,6 nm, 2,7 nm ... 3,6 nm, 3,7 nm, 3,8 nm. Das Defizit DEF = 2 - x der Reaktivkomponente ist dabei relativ gering zu wählen, entsprechend einem Wert x der Reaktivkomponente von SiOx im Bereich des Interfaces von größer als 1 ,5, 1 ,6 ... bis 1 ,8.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden zur Herstellung der SiOx- Schicht im Interface-Bereich zunächst relativ dünne Schichten pro Rotation des Substrattellers bei relativ geringer Sputterleistung und einem relativ geringen Sauerstoffdefizit hergestellt. Bevorzugt wird im Übergangsbereich zum Oxidmode reaktiv gesputtert. Nach Erreichen einer vorgebbaren Schichtdicke, von beispielsweise 3,6 nm wird die SiOx-Schicht mit größerem Sauerstoffdefizit bei einer höheren Leistung abgeschieden und dem reaktiven Plasma der Plasmaquelle ausgesetzt. Dieses ist vorzugsweise konstant.
In Fig. 15 sind Kennlinien für die reaktive Abscheidung der Interface-Schicht mit geringem bzw. höheren Sauerstoffdefizit dargestellt. Mit A, A' sind Werte der Sputterspannung bzw. die Ausgangsleistung eines Lambda-Sensors bei 1 kW Sputterleistung und mit B und B' Werte der Sputterspannung und das Lambda-Signal bei einer Sputterleistung von 1 ,5 kW bezeichnet. Die Energie der schichtbildenden Teilchen liegt vorzugsweise zwischen einigen eV bis zu 200 eV. Bevorzugt ist, wenn die Teilchen des reaktiven Plasmas eine Energie von weniger als 50 eV haben.
In Fig. 16 sind die zeitlichen Werteverläufe für wichtige Verfahrensparameter bei der reaktiven Kathodenzerstäubung mit Sauerstoff als reaktivem Bestandteil schematisch dargestellt, wie sie bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens verwendet werden. Hierbei wird mit konstanten Werten der Plasmaquellenleistung, des Argonflusses im Bereich der Sputtereinrichtung sowie des Sauerstoffflusses im Bereich der Sputter- und der Plasmaquelle gearbeitet. Zu einem Zeitpunkt Tc wird die Leistung der Sputtereinrichtung erhöht. Ab diesem Zeitpunkt Tc ist der Sauerstoffpartialdruck im Bereich der Sputtereinrichtung reduziert. Bevorzugt ist zum Zeitpunkt Tc eine vorgegebene Schichtdicke von beispielsweise ca. 3 nm erreicht. Die bis zu diesem Zeitpunkt gesputterte Schicht weist ein relativ geringes Sauerstoffdefizit auf. Nach dem Zeitpunkt Tc gesputterte Schichten weisen dagegen ein relativ hohes Sauerstoffdefizit auf. Es versteht sich, dass sich in weiteren Ausführungsformen der Erfindung auch die Parameterwerte anderer Größen als die der Sputterleistung bzw. des Sauerstoffpartialdrucks im Bereich der Sputtereinrichtung zeitlich variieren können.
Durch die Abscheidung von relativ dünnen SiOx-Schichten mit einem relativ geringen Sauerstoffdefizit kann gewährleistet werden, dass sowohl die Interface-Schicht als auch die darunter liegende Schicht, beispielsweise aus Nb205, vermöge der auf die SiOx- Abscheidung folgenden Wirkung der reaktiven Plasmaquelle als stöchiometrische Schicht vorliegen. Insbesondere kann durch eine derartige Verfahrensweise erreicht werden, dass ein eventueller Entzug der Reaktivkomponente, insbesondere des Sauerstoffs, durch das reaktionsfreudige SiOx aus der darunter liegenden Schicht (Nb205) durch Einwirkung der Plasmaquelle kompensiert werden kann. Wird das SiOx dagegen mit einer zu hohen Rate abgeschieden, kann es durch reaktive Plasmaeinwirkung zwar noch zu einem stöchiomethschen Si02 oxidiert werden, wird dabei aber unter Umständen so dicht, dass ein ausreichender Durchgriff der Wirkung der Plasmaquelle zur Gewährleistung einer Stöchiometrie der darunter liegenden Schicht zu der unter der SiOx-Schicht liegenden Schicht nicht möglich ist. Ab einer bestimmten Dicke der mit einem geringen Sauerstoffdefizit aufgebrachten Interface-Schicht kann neu auf die bereits abgeschiedene Schicht aufgebrachtes SiOx der darunter liegenden Schicht keinen Sauerstoff mehr entziehen, so dass die weitere Abscheidung von SiOx mit einem höheren Defizit an Sauerstoff erfolgen kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung einer Schicht (1 ) auf einem bewegbaren Substrat (2) in einer Vakuumkammer (10) mit einem Restgas mittels einer Sputtereinrichtung (3, 7), wobei die Schicht (1 ) aus zumindest zwei Konstituenten gebildet wird und zumindest ein erster Konstituent ein Sputtermaterial der Sputtereinrichtung (3, 7) und zumindest ein zweiter Konstituent eine Reaktivkomponente des Restgases ist, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte vorgesehen sind:
Unter Zuführung einer Reaktivkomponente reaktive Abscheidung einer Schicht (1 ) mit einem vorgegebenen stöchiomethschen Defizit des zweiten Konstituenten in einem räumlichen Bereich der Sputtereinrichtung (3, 7) auf dem Substrat (2),
Bewegung des Substrats (2) mit der abgeschiedenen Schicht (1 ) in einen räumlichen Bereich einer Plasmaquelle (5), die in einem vorgegebenen Abstand von der Sputtereinrichtung (3, 7) in der Vakuumkammer (10) angeordnet ist,
Modifizierung der Struktur und/oder Stöchiometrie der Schicht (1) durch Plasmaeinwirkung der Plasmaquelle (5), vorzugsweise unter Zuführung einer vorgegebenen Menge der Reaktivkomponente, zur Verringerung eines optischen Verlustes der Schicht (1 ).
2. Verfahren zur Herstellung einer Schicht (1 ) auf einem bewegbaren Substrat (2) in einer Vakuumkammer (10) mit einem Restgas mittels einer Sputtereinrichtung (3, 7), wobei die Schicht (1 ) aus zumindest zwei Konstituenten gebildet wird und zumindest ein erster Konstituent ein Sputtermaterial der Sputtereinrichtung (3, 7) und zumindest ein zweiter Konstituent eine Reaktivkomponente des Restgases ist, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte vorgesehen sind:
- Unter Zuführung einer Reaktivkomponente, reaktive Abscheidung einer
Schicht (1 ) mit einer vorgegebenen Schichtdicke und einem optischen Verlust, der einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet, in einem räumlichen Bereich der Sputtereinrichtung (3, 7) auf dem Substrat (2),
Bewegung des Substrats (2) mit der abgeschiedenen Schicht (1 ) in einen räumlichen Bereich einer Plasmaquelle (5), die in einem vorgegebenen
Abstand von der Sputtereinrichtung (3, 7) in der Vakuumkammer (10) angeordnet ist,
Modifizierung der Struktur und/oder Stöchiometrie der Schicht (1 ) durch Plasmaeinwirkung der Plasmaquelle (5), vorzugsweise unter Zuführung einer vorgegebenen Menge der Reaktivkomponente, zur Verringerung eines optischen Verlustes der Schicht (1 ).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sputtereinrichtung (3, 7) in einem Sputtermaterial- und Reaktivgasmaterial-abhängigen Arbeitspunkt einer Kennlinie oder eines Kennfeldes betrieben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Monitoring nach Abscheidung einer vorgegebenen Schichtdicke zur Einstellung von optischen Eigenschaften der Schicht (1 ) vorgesehen ist.
5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Monitoring der Schicht (1 ) nach Plasmaeinwirkung der Plasmaquelle (5) zur Einstellung von optischen Eigenschaften der Schicht (1 ) vorgesehen ist.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Monitoring der Schicht (1 ) nach Abscheidung einer vorgegebenen Schichtdicke und nach Plasmaeinwirkung der Plasmaquelle (5) zur Einstellung von optischen Eigenschaften der Schicht (1 ) vorgesehen ist.
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Monitoring eine Ermittlung von Transmission, Reflektion und /oder Verlusten bei einer oder mehreren Wellenlängen der Schicht (1 ) vorgesehen ist.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einem Monitoring-Signal einer optischen Monitoreinrichtung (8) eine Regelung der Sputtereinrichtung (3, 7) erfolgt.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einem Monitoring-Signal einer optischen Monitoreinrichtung (8) eine Regelung der Plasmaquelle (5) erfolgt.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Monitoring in Abhängigkeit von vorgegebenen Zeitpunkten und/oder von vorgegebenen Schichtdicken erfolgt.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt der Reaktivkomponente in der Schicht (1 ) bis zur stöchiometrischen Zusammensetzung erhöht wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1 ) bezogen auf die Reaktivkomponente des Restgases mit einem vorgegebenen Defizit zwischen 0 und 100 % der Reaktivkomponente abgeschieden wird.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Partialdruck der Reaktivkomponente über einen Gasfluss der Reaktivkomponente und/oder über eine elektrische Leistung der Sputtereinrichtung (3, 7) geregelt wird.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sputterkathodenspannung der Sputtereinrichtung (3, 7) über einen Gasfluss der Reaktivkomponente geregelt wird.
15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient einer Sputterrate zu einem Partialdruck einer Reaktivkomponente über eine Sputterleistung geregelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus dem Quotienten einer ersten Linienintensität und einer zweiten Linienintensität bestimmt wird, wobei die erste Linienintensität ein Maß für eine Sputterrate und die zweite Linienintensität für einen Partialdruck der Reaktivkomponente ist.
17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivkomponente Sauerstoff, Kohlenstoff und/oder Stickstoff ist.
18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partialdrücke der Reaktivkomponente im Bereich der Sputtereinrichtung (3, 7) und im Bereich der Plasmaquelle (5) im wesentlichen unabhängig voneinander eingestellt werden.
19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmaeinwirkung mit einem Plasma einer Plasmaquelle (5) erfolgt, welches zumindest die Reaktivkomponente im Plasma enthält.
20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1) von der substöchiometrischen
Zusammensetzung zu einer stöchiometrischen Verbindung modifiziert wird.
21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit an der Plasmaquelle (5) und/oder der Sputtereinrichtung (3, 7) vorbeigeführt wird.
22. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) an der Plasmaquelle (5) und/oder der Sputtereinrichtung (3, 7) mit einer variablen Geschwindigkeit vorbei bewegt wird.
23. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) mehrfach an der Sputtereinrichtung (3, 7) und/oder an der Plasmaquelle (5) vorbei bewegt wird.
24. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasfluss der Reaktivkomponente in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften der Schicht (1) gesteuert oder geregelt wird.
25. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) vor, während oder nach der Modifizierung mit Wärme beaufschlagt wird, vorzugsweise mittels einer Strahlungsheizung.
26. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasfluss der Reaktivkomponente in Abhängigkeit von einer abgeschiedenen Schichtdicke und/oder einer Zeitdauer der Modifizierung und/oder einer Anzahl der Vorbeiführungen an der Plasmaquelle (5) gesteuert oder geregelt wird.
27. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sputtereinrichtung (3, 7) eine, vorzugsweise Magnetronunterstützte Kathodenzerstäubungsquelle vorgesehen ist.
28. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sputtereinrichtung (3, 7) mit einem elektrischen
Wechselfeld betrieben wird.
29. Verfahren zur Herstellung einer Multilayerschicht mit zumindest einer reaktiv betreibbaren Beschichtungseinnchtung (3) und zumindest einer Reaktionseinrichtung (5) in einer Vakuumkammer (10), wobei auf zumindest einem relativ zu der
Beschichtungseinnchtung (3) oder der Reaktionseinrichtung (5) bewegbaren Substrat (2) auf einer ersten Schicht eine Abscheidung einer zweiten Schicht mit der Reaktivkomponente erfolgt und eine Änderung der Struktur und/oder Stöchiometrie zumindest einer Schicht mittels der Reaktionseinrichtung (5) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung eines optischen Verlustes der
Multilayerschicht unter einen vorgegebenen Wert in einem an die erste Schicht angrenzenden Bereich der zweiten Schicht ein Aufbau eines Interfaces mit einer Dicke d| und einem Wert eines Defizits der Reaktivkomponente DEF kleiner als ein Wert DEF, erfolgt.
0. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass Werte einer momentanen Dicke d(t) der zweiten Schicht, vorzugsweise während der Abscheidung der zweiten Schicht, ermittelt werden und sobald d(t) größer als dι ist, die Abscheidung der zweiten Schicht mit einem Wert des Defizits der Reaktivkomponente DEF größer als DEF| erfolgt.
31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schichten nach zumindest einem der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 28 hergestellt wird.
32. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 29 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht hochbrechend und die zweite Schicht niederbrechend oder dass die erste Schicht niederbrechend und die zweite Schicht hochbrechend ausgebildet ist, wobei die hochbrechende Schicht beispielsweise aus Nb205, Ta205 und die niederbrechende Schicht beispielsweise aus Si02.besteht.
33. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass als hochbrechende Schicht Nb205 und als niederbrechende Schicht Si02 vorgesehen ist und Dicke d| der Interface-Schicht einen Wert von 2,5 nm, 2,6 nm, 2,7 nm ... 3,6 nm ... 10,0 nm und das Defizit der Reaktivkomponente DEFi im
Bereich des Interfaces einen Wert von kleiner als 0,5, 0,4, 0,3, 0,2, bevorzugt kleiner als 0,1 aufweisen.
34. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gegebene Dicke d| des Interfaces mit einem zunehmenden Wert der Abscheidungsrate ein abnehmender Wert des Defizits der Reaktivkomponente DEF gewählt wird.
35. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Multilayerschicht eine Anzahl von Interfaces zwischen hoch- und niederbrechenden Schichten N| größer als 3, vorzugsweise größer als 20, besonders bevorzugt größer als 80 aufweist.
36. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungseinnchtung (3) ein vorzugsweise mit Mittelfrequenz betriebenes Magnetron-Quellensystem vorzugsweise mit zwei nebeneinander liegenden Magnetron-Anordnungen und/oder die Reaktiveinrichtung (5) eine vorzugsweise im RF-Bereich arbeitende Plasmaquelle ist.
37. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 29 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Struktur und/oder Stöchiometrie der Schichten jeweils nach Abscheidung einer Schicht mit einer vorgegebenen Schichtdicke erfolgt.
38.Vorrichtung zur Herstellung einer Schicht (1 ) auf einem Substrat (2) mittels einer Sputtereinrichtung (3, 7) in einer Vakuumkammer (10) mit einem Restgas, wobei die Schicht (1 ) aus zumindest zwei Konstituenten gebildet wird und zumindest ein erster Konstituent ein Sputtermaterial der Sputtereinrichtung (3, 7) und zumindest ein zweiter Konstituent eine Reaktivkomponente des Restgases ist, dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel zur reaktiven Abscheidung einer Schicht (1 ) auf dem Substrat (2) unter Zuführung einer Reaktivkomponente mit einem vorgegebenen stöchiometrischen Defizit des reaktiven Bestandteils in einem räumlichen Bereich der Sputtereinrichtung (3, 7),
Mittel zur Bewegung des Substrats (2) mit der abgeschiedenen Schicht (1 ) in einen räumlichen Bereich einer Plasmaquelle (5), die in einem vorgegebenen Abstand von der Sputtereinrichtung (3, 7) in der Vakuumkammer (10) angeordnet ist,
Mittel zur Modifizierung der Struktur und/oder Stöchiometrie der Schicht (1 ) durch Plasmaeinwirkung der Plasmaquelle (5), vorzugsweise unter Zuführung einer vorgegebenen Menge der Reaktivkomponente, zur Verringerung eines optischen Verlustes der Schicht (1 )
vorgesehen sind.
39. Vorrichtung zur Herstellung einer Schicht (1 ) auf einem Substrat (2) mittels einer Sputtereinrichtung (3, 7) in einer Vakuumkammer (10) mit einem Restgas, wobei die
Schicht (1 ) aus zumindest zwei Konstituenten gebildet wird und zumindest ein erster Konstituent ein Sputtermaterial der Sputtereinrichtung (3, 7) und zumindest ein zweiter Konstituent eine Reaktivkomponente des Restgases ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- Mittel zur reaktiven Abscheidung einer Schicht (1 ) auf dem Substrat (2) in einem räumlichen Bereich der Sputtereinrichtung (3, 7) unter Zuführung einer Reaktivkomponente mit einem bei einer vorgegebenen Schichtdicke einen Mindestwert unterschreitenden optischen Verlust,
- Mittel zur Bewegung des Substrats (2) mit der abgeschiedenen Schicht (1 ) in einen räumlichen Bereich einer Plasmaquelle (5), die in einem vorgegebenen Abstand von der Sputtereinrichtung (3, 7) in der Vakuumkammer angeordnet ist,
- Mittel zur Modifizierung der Struktur und/oder Stöchiometrie der Schicht (1 ) durch Plasmaeinwirkung der Plasmaquelle (5), vorzugsweise unter Zuführung einer vorgegebenen Menge der Reaktivkomponente, zur Verringerung eines optischen Verlustes der Schicht (1 )
vorgesehen sind.
40. Vorrichtung nach Anspruch 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich der Sputtereinrichtung (3, 7) und in einem Bereich der Piasmaquelle (5) jeweils eine Gaszuführung und/oder eine Pumpeinheit angeordnet und die Bereiche vorzugsweise durch Blenden getrennt sind, welche Durchlässe für zumindest ein
Substrat (2) aufweisen.
41. Vorrichtung nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) auf einem Drehteller (6) beabstandet zur Sputtereinrichtung (3, 7) und zur Plasmaquelle (5) angeordnet ist.
42. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 39 bis 41 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Substrate (2, 2') auf dem Drehteller (6) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 39 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Sputtereinrichtung (3, 7) und die Plasmaquelle (5) korrespondierend zu dem Drehteller (6) in etwa in Umfangsrichtung des Drehtellers (6) angeordnet sind.
44. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 39 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Sputtereinrichtungen (3, 7) vorzugsweise sich diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
45. Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Plasmaquelle (5) räumlich zwischen den Sputtereinrichtungen (3, 7) angeordnet ist.
46. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 39 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass räumlich zwischen den Sputtereinrichtungen (3, 7) eine optische Messeinrichtung zur Messung einer optischen Transmission, Reflexion und/oder Verluste einer auf dem Substrat (2) abgeschiedenen Schicht (1 ) angeordnet ist.
47. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 39 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass räumlich zwischen den Sputtereinrichtungen (3, 7) und der
Plasmaquelle (5) mindestens eine optische Messeinrichtung angeordnet ist.
48. Vorrichtung nach Anspruch 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messeinrichtung ein Einwellenlängen- oder Mehrwellenlängen- Photometer und/oder Eilipsometer ist.
49. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 39 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Bereich der Vakuumkammer (10) eine Heizanordnung zum Erhitzen des Substrats vorgesehen ist.
50. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 39 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass als Sputtereinrichtung (3, 7) eine Magnetron-unterstützte Kathodenzerstäubungsquelle vorzugsweise mit zwei nebeneinander liegenden Magnetron-Anordnungen vorgesehen ist.
1. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 39 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Sputtereinrichung (3, 7) mit einem elektrischen Wechselfeld, vorzugsweise in einem eine Hochfrequenz-, einem Mittelfrequenz- oder einem gepulsten DC-Bereich betrieben wird.
52. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 39 bis 51 , dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (5) eine ECWR-Quelle, eine Hall End Plasmaquelle, eine Heisskathoden DC Plasmaquelle, eine Hochfrequenz- Plasmaquelle, eine Mittelfrequenz- oder eine gepulste DC-Plasmaquelle ist.
53. Vorrichtung zur Herstellung einer Multilayerschicht mit zumindest einer reaktiv betreibbaren Beschichtungseinrichtung (3), insbesondere einer Sputtereinrichtung und zumindest einer Reaktionseinrichtung (5), insbesondere einer Plasmaquelle in einer Vakuumkammer (10), wobei auf zumindest einem relativ zu der Beschichtungseinrichtung (3) und der Reaktionseinrichtung (5) bewegbaren Substrat auf einer ersten Schicht eine Abscheidung einer zweiten Schicht mit mindestens einer Reaktivkomponente erfolgen kann und eine Änderung der Struktur und/oder Stöchiometrie zumindest einer Schicht mittels der Reaktionseinrichtung (5) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung eines optischen Verlustes der Multilayerschicht unter einem vorgegebenen Wert eine Steuereinrichtung zur
Steuerung von Beschichtungs- und Reaktionseinrichtung vorgesehen ist, mittels der in einem an die erste Schicht angrenzenden Bereich der zweiten Schicht ein Aufbau eines Interface mit einer Dicke d| und einem Wert eines Defizits der Reaktivkomponente DEF kleiner als ein Wert DEF| erfolgen kann.
54. Multilayerschicht hergestellt gemäß einem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 29 bis 37.
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