DD300185A7

DD300185A7 - Verfahren zum aufdampfen einer zirkonoxydschicht

Info

Publication number: DD300185A7
Application number: DD31180887A
Authority: DD
Inventors: Ulrike Ehrlich
Original assignee: Hochvakuum Dresden Gmbh,De
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1987-12-30
Publication date: 1992-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufdampfen einer Zirkonoxidschicht und bezieht sich auf die Herstellung von Schichten aus Zirkonoxid auf ein beheiztes Substrat im Hochvakuum. Wichtigstes Anwendungsgebiet ist die Optikbeschichtung, insbesondere die Herstellung von Interferenzschichtsystemen, die mindestens eine Schicht aus Zirkonoxid enthalten. Solche Schichten dienen z. B. zur Herstellung von Entspiegelungsschichten, Strahlenteilern oder Filtern. Die Erfindung besteht darin, dasz mindestens 25% der Gesamtschichtdicke bei Temperaturen der zu bedampfenden Substratoberflaeche von 150C bis 180C und mindestens 25% der Gesamtschichtdicke bei Temperaturen ueber 200C aufgedampft werden.{Aufdampfen; Zirkonoxid; Zirkonoxidschicht; Optikbeschichtung; Interferenzschichten; Entspiegelungsschichten; Strahlenteiler; Schichtdicke; Temperatur; Substratoberflaeche; Brechzahl; Inhomogenitaet}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Schichten aus Zirkonoxid auf ein beheiztos Substrat im Hochvakuum. Wichtigstes Anwendungsgebiet ist die Optikbeschichtung, insbesondere die Herstellung von Interferenzschichtsystemen, die mindestens eine Schicht, oft aber auch mehrere Einzelschichten aus Zirkonoxid enthatten. Solche Schichtsysteme dienen z. B. zur Herstellung von Entspiegelungsschichten, Strahlenteilern oder von Filtern. Die Erfindung kann auch bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente Anwendung finden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Schichten aus Zirkonoxid werden häufig als hochbrechende Komponente in Interferenzschichtsystemen verwendet, da sie eine hervorragende chemische und mechanische Stabilität aufweisen, in einem breiten Wellenlängenbereich (λ = 350-7000nm) praktisch transparent sind und eine geeignete Brechzahl (n = 2,05 für λ = 550 nm) haben. Weiterhin haftet Zirkonoxid sehr gut auf anderen aufgedampften Schichten, wie z. B. Oxiden und Magnesiumfluorid, was für die Herstellung von Schichtsystemen ebenfalls von Bedeutung ist.

Zirkonoxid wird auf beheizta Substratoberflächen aufgedampft. Typische Substrattemperaturen liegen bei 200 bis 300°C. Nachteilig bei aufgedampften Schichten aus Zirkonoxid ist die stark ausgeprägte negative Inhomogenität der Brechzahl, d. h. die Brechzahl wird mit wachsender Schichtdicke kontinuierlich kleiner. Bei Interferenzschichtsystemen, die für homogene Schichten berechnet sind, resultieren aus diesen Inhomogenitäten Abweichungen von der optischen Schichtdicke der ZrO₂-Schicht und damit von der theoretisch erwarteten spektralen Reflexion bzw. Transmission des Schichtsystems. Wird die Zirkonoxidschicht z. B. in dem allgemein bekannten Entspiegelungssystem λ /4 AI₂O₃ - λ Il ZrO₂ - λ /4 MgF₂ auf Glas mit einer Brechzahl η = 1,52 aufgedampft, so ergibt sich theoretisch eine Reflexionskurve, die bei der Schwerpunktwellenlänge λ_α = 550ηm einen Reflexionsgrad von R = 0,18% hat. Durch die Inhomogenität der Zirkonoxidschicht wird die Reflexion bei X₀ stark erhöht. Typisch sind Reflexionswerte größer als 1 %. Damit ist die Entspiegelungswirkung beeinträchtigt. Ursache der Inhomogenität sind Strukturänderungen in der Schicht, die durch die Aufdampfbedingungen, z.B. durch das Anwachsen der Substrattemperatur während des Bedampfens hervorgerufen werden. Um trotzdem Zirkonoxid-Schichten verwenden zu können, werden verschiedene Wege beschritten:

Da die Verminderung der Brechzahl um so größer ist, je größer die Dicke der Zirkonoxidschicht ist, versucht man die Schichtsysteme so zu konstruieren, daß große Schichtdicken vermieden werden. Damit bleibt auch die Änderung der Brechzahl klein. Das bedeutet aber eine Einschränkung des Einsatzbereiches solcher Schichten.

Weiterhin wird versucht, den Brechzahlabfall durch Zusätze von Otabilisierungsmaterialion zu verhindern oder zu verringern. Allgemein wird das Stabilisierungsmaterial zur „Homogenisierung" der Schicht ein Metall oder Oxid verwendet (DE-OS 3026703). So verdampft man z. B. definierte Gemische aus Zirkonoxid und Tantal bzw. Zirkon und Tantaloxid (DE-OS 2050556, DE-PS 2927856), Zirkonoxid mit Aluminiumoxid und Titanoxid (DE-AS 2457474) oder Zirkonoxid mit Yttriumoxid (Opt. Mech. Prom. 1984, No. 5, S. 28).

Diese Lösungen führen zu einer Verringerung, manchmal auch zu einer Vermeidung der Brechzahlreduzierung. Nachteilig ist jedoch, daß zusätzliche, z.T. auch seltene Materialien zur Verfügung stehen müssen, die gemäß den für Elektronenstrahlverdampier notwendigen Bedingungen (Reinheit, Gasfreiheit, geeigneter Korndurchmesser) aufzubereiten cinrt und die möglichst gleichmäßig mit dem Zirkonoxid vermischt worden müssen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die durch dio negativen Inhomogenitäten der Zirkonoyidschicht auftretenden Nachteile für die Reproduzierbarkeit der optischen Eigen schäften, insbesondere von Interferenzschichtsystemen, zu beseitigen und ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einfache Weise Zirkonoxidschichten erzeugt werden, deren optische Eigenschaften mit denen homogener Schichter, vergleichbar sind und die keine Zusätze anderer Materialien benötigen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufdampfen von Zirkonoxidschichten anzugeben, mit dem zusätzlich zu der negativen Inhomogenität eine posifve Inhomogenität zu Beginn des Schichtaufbaues erzeugt wird, wodurch die Brechzahl zu Beginn des Schichtwachstums (ns_Ult/ so weit verringert wird, daß sie ungefähr mit der erwarteten Brechzahl der Schicht am Ende des Schichtwachstums (n_Ende) übereinstimmt.

-2- 300 18b

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zhkonoxidschicht bei kontinuierlich ansteigender Temperatur hergestellt wird. Dabei sollen mindestens 25% der Gesamtschichtdicke bei Substrat-Temperaturen zwischen 15O⁰C bis 18O⁰C aufgedampft werden. Bei üblichen Werten für alle anderon brechzahlbestimmenden Parameter (Druck, Aufdampfrate) sind feindisperse Strukturen mit einer Brechzahl η < 1,95 zu erwarten. Weiterhin sollen mindestens 25% der Gesamtschichtdicke bei Substrattemperaturen über 200⁰C aufgedampft werden. Es sind in diesem Falle kristalline Strukturen zu erwarten, deren Brechzahl über η = 2,0 liegt und die Eigenschaft der negativen Inhomogenität je nach Höhe der Substrattemperatur erwarten lassen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte Schicht hat eine mittlere Brechzahl, die mit η = 1,9 bis 2,0 nur wenig unter dem bei Temperaturen > 200°C erreichten Wert lieg'. Die mechanischen Eigenschaften sind überraschend gut. Damit vereinigt die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgedampfte Schicht günstige optische, mecl anische und chemische Eigenschaften.

Wurde vor der Zirkonoxidschicht bereits eine andere Schicht bei einer Suhstrnttemperatur größer als 200°C aufgebracht, so erhält man die niedrigere Starttemperatur auf einfache Weise durch das Ausschalten der Substratheizung oder durch das Einschwenken einer Abschirmbi'onde zwischen Substratheizung und Substrat. Die zu bedampfenden Substrate kühlen ab bis auf eine Temperatur, die im wesentlichen durch die Zeitspanne zwischen dem Ausschalten bzw. Abblenden der Heizung und dem Start der Bedampfung bestimmt wird. Auf diese Weise wird die Brechzahl n_Su,t der Schicht kleiner als bei einer Schicht, die auf die üblichen geheizten Substrate aufgedampft wurde. In besonders geeigneter Weise kann die erforderliche Temperaturerhöhung nach einem weiteren Erfindungsmerkmal dadurch realisiert werden, daß sie durch Absorption der von der Verdampferquelle ausgehenden Strahlungsenergie und der bei der Kondensation auf der Substratoberfläche frei werdenden Energie erzeugt wird. Die dazu erforderlichen Parameter des Verdampfers sind entsprechend einzustellen und dem Fachmann bekannt. Nach dem Start der Bedampfung steigt die Temperatur der zu bedampfenden Substratoberfläche nach diesem Erfindungsmerkmal ständig an. Die Brechzahl der aufwachsenden Schicht ändert sich dadurch in folgender Weise: Sie steigt, ausgehend von einem Wert n_s„„, mit wachsender Schichtdicke an und wird dann wieder kleiner. Im Idealfall stimmen Endwert n_Ende und Startwert n_s,_a„ überein. In Sonderfällen können sich Brechzahlanstieg und -abfall auch kompensieren, so daß eine Schicht mit annähernd konstanter Brechzahl entsteht.

Die mittlere Brechzahl ist etwas kleiner als die Brechzahl einer üblichen negativ inhomogenen Zirkonoxidschicht (z.B. für X₀ = 550 nm, η = 1,95), was bei theoretischen Überlegungen zu berücksichtigen ist. Der Absolutwert der Brechzahl wird außer durch die Temperatur noch durch verschiedene Verfahrensparameter, z. B. durch die Aufdampfrate und c'eii Restgasdruck, vor allem durch den Sauerstoffpartialdruck, beeinflußt. Diese Parameter werden während des Prozesses moßtechiiisch erfaßt und wie üblich geregelt. Je größer die Zeit zwischen dem Ausschalten bzw. Abblenden der Heizung und dem Start dei Bedampfung ist, um so niedriger wird die Starttemperatur für die Schichtbildung und damit der Brechungsindex nsun· Dabei zeigt sich, daß Starttemperaturen zwischen 1SO⁰C bis 18O⁰C besonders günstig sind. Entgegen den Angaben im Patent DE 2927356, daß nur Substrattemperaturon über 250°C zu harten, haftfesten Schichtsystemen führen, lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren harte, hartfeste Schichten abscheiden, auch wenn die Substrattemperatur in der Anfangsphase der Schichtbildung unter 18O⁰C liegt. Die Zirkonoxidschichten überstehen eine 16stündige Lagerung und einen öminütigen Kochtest in destilliertem Wasser ohne Beanstandung. Erst wenn die Starttemperatu r unter 150⁰C liegt, ist das Ergebnis des Lager- bzw. Kochtests negativ.

Da eine exakte Messung der Temperaturänderung an der Substratoberfläche problematisch ist, kann die Dauer der Abkühlphase bis zum Start der Bedampfung auch auf experimentelle Weise ermittelt werden. Dazu wird z. B. eine Zirkonoxidschicht der optischen Schichtdicke λ /2 auf eine Glasoberfläche aufgedampft. Dabei werden alle Aufdampfparameter, die den Brechungsindex wesentlich beeinflussen können (Aufdampfrate, Restgasdruck, Sauerstoffpartialdruck) meßtechnisch erfaßt und geregelt. Während des Aufdampfens wird die Reflexion des bedampften Glases in Abhängigkeit von der Schichtdicke registriert. Kennzeichnend für eine gemäß der Erfindung hergestellte Schicht ist die Übereinstimmung der Reflexion des mit einer λ /2-Schicht bedampften Glases mit der Reflexion des unbeschichteten Glases. Ist die Reflexion des bedampften Glases kleiner als die Reflexion des unbedampften Glases, so ist das gleichbedeutend mit einem zu hohen Brechungsindex nsun bzw. einer zu hohen Starttemperatur. Die Abkühlzeit muß verlängert werden. Ist die Reflexion des bedampften Glases größer als die Reflexion des unbedampften Glases, muß die Abkühlzeit verkürzt werden.

Bei praktischer Anwendung des Verfahrens zeigt sich, daß man die Bedingung n_Sli_rt = n_Enda erreichen kann, dies aber nicht immer unbedingt notwendig ist. Fürviele Anwendungsfälle ist es schon vorteilhaft, wenn der Brechungsindex n_Stl,i in der Nähe von nEnde l'ogt. Damit muß die einmal ermittelte Abkühlzeit bei Mehrschichtsystemen nicht so genau eingehalten werden. Ebenso ist es möglich, Substrate mit ähnlicher Geometrie und damit ähnlicher Abkühlgeschwindigkeit in einer Charge zu bedampfen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert:

Es soll ein bekanntes Schichtsystem zur Entspiegelung von Glas der Brechzahl η = 1,52 hergestellt werden, und zwar sollen in Reihenfolge die Schichten λ /4 AI₂O₃ - λ /2 ZrO₂ - λ /4 MgF₂ aufgedampft werden. Dazu werden in einer Aufdampf anlage zu entspiegelnde Gläser vom Typ BK 7 (Plangläser, 3mm dick) auf einer rotierenden Kalotte angeordnet. Die Verdampfung der Schichtmaterialien erfolgt aus einem Mehrnapftiegel eines Elektronenstrahlverdampfers aus einer Randposition. Der senkrechte Abstand zwischen Kalottenscheitelpunkt und Verdampferebene beträgt etwa 300mm. Eine hinter der Kalotte angeordnete Heizung erzeugt die erforderliche Substrattemperatur. Die Reflexion wird an einem Testglas gemessen, dessen Temperatur mit de.- Substrattemperatur vergleichbar ist.

Vor dem Aufdampfen der AI₂O₃-Schicht werden die Substrate mittels einer hinter der Kalotte angeordneten Substratheizung aufgeheizt, bis die Temperatur der zu bedampfenden Substrtitoberflächen ca. 280°C beträgt. Gleichzeitig mit dem Start der AI₂O₃-Bedampfung wird die Substratheizung ausgeschaltet. Die AI₂O₃-Schicht wird in ca. 4min aufgedampft. Danach erfolgt die Umschaltung auf den Tiegelnapf mit dem ZrO₂. Das Material wird langsam unter geschlossener Verdampferblende aufgeheizt. Die Aufheizdauer beträgt 5min. Inzwischen kühlen die zu bedampfenden Substratobsrfiächen langsam ab bis auf oine

Temperatur von 16O⁰C, die die Starttemperatur für die Aufdampfung des ZrO₂ ist. Das Aufdampfen der ZrO₂-Schicht erfolgt bei einem Restgasdruck von 1 10^-2Pa innerhalb von 2 min. Innerhalb dieser Zeit erhöht sich die Substrattemperatur durch Absorption der von der Verdampferquelle ausgehenden Strahlungsenergie und durch die bei der Kondensation auf der Substratoberfläche frei werdenden Energie in folgender Welse:

Bei Erreichung von 30% der Ges !schichtdicke werden 18O⁰C überschritten. Bei 70% der Gesamtschichtdicke werden 200°C erreicht, so daß die verbleibenden 30% der Gesamtschichtdicke bei Temperaturen über 200°C aufgedampft werden. Die Temperaturmessung der zu bedampfenden Substratoberflächen erfolgt mit Hilfe eines Thermoelementes, die Messung der Schichtdicke mittels eines Schwingquarzes. Die Brechzahl steigt bei diesem Aufdampfverfahren der ZrO₂-Schicht von einem Startwert ausgehend bis zu einem Maximum an, sinkt wieder ab und erreicht bei der optischen Schichtdicke λ /2 wieder den Startwert. Nach Beendigung des Aufdampfens der ZrO₂-Schicht wird die Substratheizung wieder eingeschaltet. Zum Zeitpunkt des Startes der MpF₂-Verdampfung beträgt die Substrattemperatur 28O⁰C. Die MgF₂-Schicht wird in bekannter Weise aufgedampft.

Die mit diesem Verfahren entspiegelten Gläser haben einen Reflexionsgrad kleiner als 1 % in einem Wellenlängenboreich von 400 bis 700 nm. Das Maximum bei der Reflexionskurve R (λ) liegt immer unter 0,4%. Die Gläser überstehen einen Haftfestigkeitstest durch 16stündiges Lagern in destilliertem Wasser sowie durch 5minütiges Kochen in destilliertem Wasser ohne Beanstandung.

Claims

1. Verfahren zum Aufdampfen einer Zirkonoxidschicht auf ein beheiztes Substrat im Hochvakuum, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 25% der Gesamtschichtdicke bei Temperaturen der zu bedampfenden Substratoberfläche von 150⁰C bis 18O⁰C und mindestens 25% der Gesamtschichtdicke bei Temperaturen über 200⁰C aufgedampft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerhöhung durch Absorption der von der Verdampferquelle ausgehenden Strahlungsenergie und durch die bei der Kondensation auf der Substratoberfläche frei werdenden Energie erzeugt wird.