DE10324556B4 - Sputtering method and use of the method - Google Patents

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Abstract

Katodenzerstäubungsverfahren in einer Vakuumkammer zum Abscheiden einer dünnen Schicht, die zumindest teilweise aus mindestens zwei chemischen Verbindungen mit in Wachstumsrichtung veränderlichen Anteilen dieser Verbindungen besteht, wobei jede dieser Verbindungen durch reaktives Zerstäuben des gleichen Targetmaterials oder der gleichen Targetmaterialien unter zumindest teilweisem Einbau unterschiedlicher Bestandteile eines Reaktivgasgemisches gebildet wird und der Gehalt des Reaktivgases an den schichtbildenden reaktiven Gaskomponenten einer vorgebbaren zeitlichen Vorschrift folgt, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens zwei Bestandteile des Reaktivgasgemisches aus unterschiedlichen Gasreservoiren bereitgestellt werden, – aus diesen Gasreservoiren abfließende Gasströme einzeln mittels Massen- oder Volumendurchflussreglern geregelt werden, – diese geregelten Gasströme in mindestens einem separaten Mischgasgefäß zu einem Reaktivgasgemisch zusammengeführt werden, – ein Anteil von mindestens 10 Prozent des eingelassenen Reaktivgasgemisches durch eine Pumpe abgesaugt wird, ohne in die Vakuumkammer zu gelangen, und – aus dem Mischgasgefäß mittels eines Regelventils mit einer Zeitkonstante von höchstens 50 ms ein Reaktivgasgemisch derart in die Vakuumkammer eingelassen wird, dass der reaktive Sputterprozess im „Transition mode” stabilisiert wird.A cathode sputtering method in a vacuum chamber for depositing a thin layer at least partially composed of at least two chemical compounds having growth-directional portions of these compounds, each of which compounds being formed by reactive sputtering of the same target material or materials while at least partially incorporating different components of a reactive gas mixture and the content of the reactive gas on the layer-forming reactive gas components follows a predefinable time specification, characterized in that - at least two constituents of the reactive gas mixture are provided from different gas reservoirs, - gas flows flowing out of these gas reservoirs are controlled individually by means of mass or volume flow regulators, - these regulated gas streams are combined in at least one separate mixed gas vessel to form a reactive gas mixture, e in proportion of at least 10 percent of the admitted reactive gas mixture is sucked by a pump without entering the vacuum chamber, and - from the mixed gas vessel by means of a control valve with a time constant of at most 50 ms, a reactive gas mixture is admitted into the vacuum chamber such that the reactive sputtering process is stabilized in the "transition mode".

Description

Die Erfindung betrifft ein Katodenzerstäubungsverfahren (Sputterverfahren) zum Aufbringen einer dünnen Schicht, die in Wachstumsrichtung der Schicht eine veränderliche chemische Zusammensetzung hat. Solche Schichten werden auch als Gradientenschichten bezeichnet. Sie finden Anwendung in der Optik, Elektronik, Mikrosystemtechnik, bei der Architekturglasbeschichtung und in anderen Branchen.The invention relates to a sputtering method for applying a thin layer having a variable chemical composition in the direction of growth of the layer. Such layers are also referred to as gradient layers. They are used in optics, electronics, microsystems technology, architectural glass coating and other industries.

Besteht die Gradientenschicht aus Materialien, die sich durch Zerstäuben unterschiedlicher Targetmaterialien in veränderlicher Zusammensetzung herstellen lassen, so wird häufig das sogenannte Co-Sputtern benutzt, um die Zusammensetzung der Schicht in Wachstumsrichtung gemäß den Anforderungen zu erreichen ( US 4 934 788 A ). Dazu können die Ergiebigkeit der Quellen für die einzelnen Targetmaterialien zeitlich verändert und beide Materialströme zeitgleich auf dem Substrat zur Einwirkung gebracht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Substrat nach einem vorgegebenen Zeitschema in schneller zeitlicher Folge mehrfach durch die Beschichtungszonen zu bewegen. Im letzteren Fall handelt es sich im strengen Sinne eher um die Abscheidung von sogenannten Multilayersystemen.If the gradient layer consists of materials that can be produced by sputtering of different target materials in a variable composition, so-called co-sputtering is often used in order to achieve the composition of the layer in the direction of growth according to the requirements ( US 4,934,788 A ). For this purpose, the yield of the sources for the individual target materials can be changed over time and both material streams can be brought to bear on the substrate at the same time. Another possibility is to move the substrate several times through the coating zones in a timely sequence according to a predetermined time scheme. In the latter case, in the strict sense, it is rather the deposition of so-called multilayer systems.

Besteht die Gradientenschicht aus Materialien, die Verbindungen eines Materials mit unterschiedlichen gasförmigen Reaktionspartnern sind, so können solche Schichten nicht durch Co-Sputtern hergestellt werden. Für solche Schichten wird gemäß DE 101 00 221 A1 die Beschichtung eines feststehenden Substrates durch reaktives Sputtern in einem Reaktivgasgemisch vorgeschlagen, dessen Zusammensetzung sich zeitlich verändert. Naheliegend dafür ist die Mischung von mindestens zwei Reaktivgasströmen, die über getrennte Massen- oder Volumendurchflussregler geregelt werden. Auf diese Weise erhält man ein Reaktivgasgemisch, das direkt in die Vakuumkammer eingelassen wird. Eine solche Verfahrensweise ist beispielsweise in US 6,425,987 B1 für ein ionengestütztes Verfahren zur Erzeugung von Gradientenschichten beschrieben. Diese Verfahrensweise ist jedoch nicht möglich, wenn gleichzeitig eine möglichst hohe Abscheiderate, das heißt eine Schichtbildung im sogenannten „Transition mode” angestrebt ist [S. Schiller, U. Heisig, Chr. Korndörfer, G. Beister, J. Reschke, K. Steinfelder, J. Strümpfel, Reactive d.c. high-rate sputtering as production technology, Surf. Coat. Technol. 33 (1987) 405]. Die Stabilisierung des „Transition mode” erfordert für zahlreiche reaktive Zerstäubungsprozesse eine schnelle Regelung des Reaktivgasflusses mit einer Zeitkonstante kleiner als 50 ms. Kommerziell verfügbare Massen- oder Volumendurchflussregler weisen typischerweise eine Zeitkonstante im Bereich von 1 s auf und sind für reaktive Zerstäubungsprozesse nicht zur Stabilisierung des „Transition mode” geeignet. Stattdessen werden üblicherweise Piezoventile mit einer Zeitkonstante von etwa 1 ms verwendet, die aber keine absolute Bestimmung des Massendurchflusses und damit keine definierte Vorgabe der Zusammensetzung des Reaktivgasgemisches ermöglichen. Möglich ist noch eine Mischung der über Durchflussregler geregelten Reaktivgasströme zu dem Reaktivgasgemisch und die Stabilisierung des „Transition mode” durch einen geeigneten Einlass dieses Reaktivgasgemisches über ein nachgeschaltetes schnelles Regelventil. Eine solche Verfahrensweise ist mit gravierenden Einschränkungen für die Prozessführung verbunden:
Zum einen entsteht durch die Reihenschaltung der Durchflussregler und des schnellen Regelventils ein Totvolumen als Summe der Volumina des Gasmischgefäßes, der Ausgangsseite der Durchflussregler und der Eingangsseite des Regelventils. So weisen handelsübliche Piezo-Regelventile ein Totvolumen von etwa 50 cm3 auf. Bei einem Gasdruck von 1 bar kann mit dem in diesem Volumen gespeicherten Gas in üblichen Beschichtungsanlagen eine Schicht mit einer Dicke von 100 nm bis 1 μm abgeschieden werden. Dadurch können über die Durchflussregler gesteuerte Änderungen der Reaktivgaszusammensetzung nur mit erheblicher Verzögerung zu einer Änderung der Schichtzusammensetzung führen. Schnelle Änderungen der Schichtzusammensetzung über die Schichtdicke sind aufgrund der Trägheit der Veränderung der Reaktivgaszusammensetzung nicht möglich. Zum anderen wird der Gesamt-Reaktivgasstrom, d. h. die Summe der durch die Durchflussregler fließenden Gasströme durch das Regelventil vorgegeben. Damit ist das System überbestimmt, und nicht alle Gasströme können einzeln über die Durchflussregler geregelt werden. Auch ein denkbarer Lösungsweg, einen Durchflussregler voll zu öffnen und zur Messung des Reaktivgasstromes zu nutzen und mindestens einen zweiten Durchflussregler im Master-Slave-Betrieb zu betreiben, ist nur in bestimmten Anwendungsfällen gangbar. Außerdem haftet dieser Lösung der generelle Nachteil an, dass es bei einem voll geöffneten Durchflussregler zu Gasrückströmungen kommen kann, die die Genauigkeit der Zusammensetzung des Reaktivgasgemisches begrenzen.If the gradient layer consists of materials which are compounds of a material with different gaseous reactants, such layers can not be produced by co-sputtering. For such layers is according to DE 101 00 221 A1 proposed the coating of a fixed substrate by reactive sputtering in a reactive gas mixture, the composition of which changes over time. The obvious choice is the mixture of at least two reactive gas streams, which are controlled by separate mass or volume flow controllers. In this way, a reactive gas mixture is obtained, which is introduced directly into the vacuum chamber. Such a procedure is for example in US Pat. No. 6,425,987 B1 for an ion-based method for producing gradient layers. However, this procedure is not possible if at the same time the highest possible deposition rate, that is to say stratification in the so-called "transition mode" [S. Schiller, U. Heisig, Chr. Korndörfer, G. Beister, J. Reschke, K. Steinfelder, J. Strümpfel, Reactive dc high-rate sputtering as production technology, Surf. Coat. Technol. 33 (1987) 405]. The stabilization of the "transition mode" requires a rapid control of the reactive gas flow with a time constant of less than 50 ms for numerous reactive sputtering processes. Commercially available mass or volume flow controllers typically have a time constant in the range of 1 s and are not suitable for reactive sputtering processes to stabilize the "transition mode". Instead, piezo valves are usually used with a time constant of about 1 ms, but allow no absolute determination of the mass flow and thus no defined specification of the composition of the reactive gas mixture. It is also possible to mix the reactive gas streams regulated by the flow regulator with the reactive gas mixture and to stabilize the "transition mode" by means of a suitable inlet of this reactive gas mixture via a downstream fast control valve. Such a procedure is associated with serious restrictions for the process management:
On the one hand, the series connection of the flow regulators and the fast control valve produces a dead volume as the sum of the volumes of the gas mixing vessel, the outlet side of the flow regulators and the inlet side of the control valve. Thus, commercially available piezo control valves have a dead volume of about 50 cm 3 . At a gas pressure of 1 bar, a layer with a thickness of 100 nm to 1 μm can be deposited with the gas stored in this volume in conventional coating systems. As a result, changes in the reactive gas composition controlled by the flow regulators can only lead to a change in the layer composition with considerable delay. Rapid changes in the layer composition over the layer thickness are not possible due to the inertia of the change in the reactive gas composition. On the other hand, the total reactive gas flow, ie the sum of the gas flows flowing through the flow regulators, is predetermined by the control valve. Thus, the system is overdetermined and not all gas streams can be individually controlled by the flow controllers. Also, a conceivable solution to fully open a flow regulator and to use for measuring the reactive gas flow and operate at least a second flow controller in the master-slave operation is feasible only in certain applications. In addition, this solution suffers from the general disadvantage that, with a fully open flow regulator, gas backflows can occur which limit the accuracy of the composition of the reactive gas mixture.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Katodenzerstäubungsverfahren zur Abscheidung dünner Gradientenschichten anzugeben, die zumindest teilweise aus chemischen Verbindungen mit in Wachstumsrichtung veränderlicher Zusammensetzung bestehen, wobei sowohl eine hohe Präzision des Verlaufs des Gradienten als auch eine hohe Abscheiderate erreicht werden sollen. Dieses Verfahren soll ohne Einschränkung für den durch die Komponenten bestimmten Bereich der herstellbaren Schichtzusammensetzung und mit hoher Reproduzierbarkeit durchführbar sein.The invention has for its object to provide a Katodenzerstäubungsverfahren for the deposition of thin gradient layers, which consist at least partially of chemical compounds with variable in the direction of growth composition, both a high precision of the gradient and a high deposition rate should be achieved. This process should be practicable without limitation for the range of fabricatable layer composition determined by the components and with high reproducibility.

Die Aufgabe wird durch ein Katodenzerstäubungsverfahren in einer Vakuumkammer gelöst, das durch die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet ist. In den Ansprüchen 2 bis 7 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben. Anspruch 8 gibt vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens an. The object is achieved by a Katodenzerstäubungsverfahren in a vacuum chamber, which is characterized by the method steps according to claim 1. In claims 2 to 7 advantageous embodiments of the method according to the invention are given. Claim 8 indicates advantageous uses of the method according to the invention.

Die Erfindung bezieht sich sowohl auf stationäre Zerstäubungsverfahren, bei denen ein oder mehrere Magnetronquellen in fester Anordnung zu dem Substrat stehen, als auch auf dynamisches Magnetronsputtern, bei dem die Substrate während der Beschichtung mehrfach, vorzugsweise periodisch, relativ zu der oder den Sputterquellen bewegt werden. Beispiele für eine solche Relativbewegung ergeben sich bei Anordnung der Substrate in der Vakuumkammer auf einem schnell rotierenden Drehteller oder Drehkorb.The invention relates both to stationary sputtering methods in which one or more magnetron sources are fixedly attached to the substrate and to dynamic magnetron sputtering in which the substrates are moved several times during the coating, preferably periodically, relative to the sputtering source or sputtering sources. Examples of such a relative movement arise in the arrangement of the substrates in the vacuum chamber on a rapidly rotating turntable or rotary basket.

Zur Abscheidung einer Verbindungsschicht mit einer metallischen oder halbmetallischen Komponente wird nur ein Targetmaterial reaktiv zerstäubt und die Gradientenschicht aus chemischen Verbindungen dieses Materials und unterschiedlichen Bestandteilen des Reaktivgases gebildet. Enthält die Gradientenschicht dagegen neben den aus dem Reaktivgas eingebauten Bestandteilen mehrere metallische oder halbmetallische Komponenten, so wird das Verfahren durch reaktives Zerstäuben eines Gemisches oder einer Legierung der Elemente hergestellt, oder es erfolgt das Co-Sputtern mehrerer Elemente in einem reaktiven Gasgemisch.For depositing a bonding layer with a metallic or semi-metallic component, only one target material is reactively sputtered and the gradient layer is formed from chemical compounds of this material and different reactive gas constituents. On the other hand, if the gradient layer contains a plurality of metallic or semi-metallic components in addition to the components incorporated in the reactive gas, the process is prepared by reactive sputtering of a mixture or an alloy of the elements, or the co-sputtering of several elements in a reactive gas mixture.

Zur Durchführung des Verfahrens entsprechend der Erfindung wird das Reaktivgasgemisch erfindungsgemäß durch Gasströme aus mindestens zwei Gasreservoiren erzeugt. Diese Gasströme enthalten im einfachsten Fall jeweils ein inertes Trägergas, typischerweise ein Edelgas, vorzugsweise Argon, sowie ein reaktives Gas in reiner Form. Im Sinne der Erfindung können die Gasströme auch jeweils nur das reaktive Gas in reiner Form enthalten, und ein weiterer Gasstrom bewirkt die Zufuhr des inerten Trägergases. Dieser Inertgasstrom kann gemeinsam mit den Reaktivgasströmen zur Bildung eines reaktiven Gasgemisches dienen oder direkt in die Vakuumkammer eingelassen werden. Die mindestens zwei reaktiven Gasströme können jedoch auch mehrere oder alle der mindestens zwei reaktiven Bestandteile in unterschiedlicher Konzentration enthalten.To carry out the process according to the invention, the reactive gas mixture is produced according to the invention by gas streams from at least two gas reservoirs. In the simplest case, these gas streams each contain an inert carrier gas, typically a noble gas, preferably argon, and a reactive gas in pure form. For the purposes of the invention, the gas streams may each contain only the reactive gas in pure form, and another gas stream causes the supply of the inert carrier gas. This inert gas stream can be used together with the reactive gas streams to form a reactive gas mixture or be introduced directly into the vacuum chamber. However, the at least two reactive gas streams may also contain several or all of the at least two reactive constituents in different concentrations.

Besagte Gasströme werden einzeln mittels Massen- oder Volumendurchflussregler geregelt. Die Flüsse können dabei zeitweise auch den Wert Null annehmen. Erfindungsgemäß werden diese geregelten Gasströme in einem separaten Mischgefäß, das typischerweise außerhalb der Vakuumkammer angebracht ist, zu einem Mischgasstrom zusammengeführt. Im Sinne einer schnellen Veränderbarkeit der Zusammensetzung des Reaktivgasgemisches soll dieses Mischgasgefäß möglichst geringvolumig sein.Said gas flows are controlled individually by means of mass or volume flow controller. The rivers can temporarily assume the value zero. According to the invention, these controlled gas streams are combined in a separate mixing vessel, which is typically mounted outside the vacuum chamber, to a mixed gas stream. In the sense of rapid variability of the composition of the reactive gas mixture, this mixed gas vessel should be as small as possible.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass ständig ein Abpumpen von Mischgas aus dem Mischvolumen erfolgt. Das kann völlig unabhängig vom Gaseinlass in den Rezipienten erfolgen. Um einen signifikanten Effekt zu erzielen, sollte mindestens ein Anteil von 10% des Mischgasflusses durch eine Pumpe abgesaugt werden. Das Abpumpen erhöht den Gasdurchsatz, was im Falle einer Änderung der Gasflüsse zu einer schnellen Änderung der Mischgaszusammensetzung im Mischvolumen führt. Im Sinne einer schnellen Veränderbarkeit und einer guten Regelbarkeit der Zusammensetzung des Reaktivgasgemisches sollte der Anteil des abgesaugten Mischgases möglichst groß, typischerweise größer als 50%, sein und die Pumpe so angeschlossen sein, dass ein geringes Totvolumen eingeschlossen wird. Um den Anteil des abgesaugten Mischgases definiert vorgeben zu können, ist es vorteilhaft, die Saugleistung der Pumpe über ein Stellventil einzustellen.The inventive method is further characterized in that there is a constant pumping of mixed gas from the mixing volume. This can be done completely independently of the gas inlet into the recipient. To achieve a significant effect, at least 10% of the mixed gas flow should be extracted by a pump. The pumping increases the gas flow rate, which leads in the case of a change in the gas flows to a rapid change in the mixed gas composition in the mixing volume. In terms of rapid variability and good controllability of the composition of the reactive gas mixture, the proportion of extracted mixed gas should be as large as possible, typically greater than 50%, and the pump should be connected so that a small dead volume is included. In order to define the proportion of extracted mixed gas defined, it is advantageous to adjust the suction power of the pump via a control valve.

Das Verfahren ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Anteil des Mischgasstromes in die Vakuumkammer eingelassen wird, um den reaktiven Sputterprozess im „Transition mode” zu stabilisieren. Somit gelangt nur vorgemischtes Reaktivgas in den Prozessraum. Das kann mittels eines Regelventils erfolgen. Dazu hat das Regelventil eine kleine Zeitkonstante von höchstens 50 ms. Beim reaktiven Sputtern bestimmter Materialien tritt eine sogenannte Hysterese auf [vgl. Literatur oben], die zur Prozessinstabilität im „Transition mode” führt. Besonders für Reaktionspartner mit ausgeprägtem Hystereseverhalten ist es im Interesse einer stabilen Prozessführung zweckmäßig, die Zeitkonstante möglichst klein zu halten.The method is further characterized in that a further portion of the mixed gas stream is introduced into the vacuum chamber in order to stabilize the reactive sputtering process in the "transition mode". Thus, only premixed reactive gas enters the process space. This can be done by means of a control valve. For this purpose, the control valve has a small time constant of at most 50 ms. During reactive sputtering of certain materials, so-called hysteresis occurs [cf. Literature above], which leads to process instability in "transition mode". Especially for reactants with pronounced hysteresis behavior, it is expedient to keep the time constant as small as possible in the interests of stable process control.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird zusätzlich der Druck im Mischgasgefäß über die Gasströme auf einen vorgegebenen Wert geregelt. Damit werden die Präzision der angestrebten Gradientenschicht und die Reproduzierbarkeit ihrer Herstellung verbessert.In an expedient embodiment of the method, the pressure in the mixed gas vessel is additionally regulated by the gas streams to a predetermined value. This improves the precision of the desired gradient layer and the reproducibility of its production.

Soll die abzuscheidende dünne Schicht weiterhin eine Dotierung durch eine Komponente enthalten, so ist es zweckmäßig, dass eine gasförmige oder dampfförmige schichtbildende Komponente gemeinsam mit einem der Gasströme eingelassen und geregelt wird, wobei diese Komponente als Dotant in die dünne Schicht einbaubar ist, ohne mit dem Targetmaterial eine chemische Verbindung zu bilden.If the thin layer to be deposited also contains a doping by a component, it is expedient for a gaseous or vaporous layer-forming component to be introduced and regulated together with one of the gas streams, wherein this component can be incorporated into the thin layer as a dopant, without being mixed with the Target material to form a chemical compound.

Das vorgeschlagene Verfahren mit den erfindungsgemäßen Merkmalen überwindet die Beschränkung des bisherigen Standes der Technik, unabhängig von der Schichtzusammensetzung und dem Verlauf des Gradienten der Schichtzusammensetzung in Wachstumsrichtung der Schicht. Es zeichnet sich durch eine hohe Präzision und Reproduzierbarkeit aus und ist deshalb auch für anspruchsvolle Vielschichtsysteme mit gleitendem Verlauf der Schichtzusammensetzung geeignet. Mit dem Verfahren können Produkte mit bisher nicht erreichten Eigenschaftskombinationen hergestellt werden. Beispielsweise lassen sich mit dem Verfahren Präzisions-Filterbauelemente, z. B. Rugate-Filter herstellen, bei denen die optischen Eigenschaften periodisch nach einer vorgebbaren Funktion zwischen zwei Grenzwerten alternieren. Eine weitere Anwendung stellen Entspiegelungsschichten dar, die in Aufwachsrichtung zumindest einen monoton ansteigenden Brechungsindex aufweisen. Der Verlauf des Brechungsindex n über die Schichtdicke z kann in diesem Gradientenübergang der Funktion n = nH – (nH – nL)( d – z / d)x folgen, wobei nL den Brechungsindex am Beginn und nH den Brechungsindex am Ende des Gradienten darstellt, dieser die Dicke d aufweist und x eine reelle Zahl mit 0 < x < 100 ist. Der Verlauf des Brechungsindex n über die Schichtdicke z kann auch einer ähnlich gearteten exponentiellen, Potenz- oder harmonischen Funktion folgen.The proposed method with the features according to the invention overcomes the limitation of the prior art, regardless of the layer composition and the course of the gradient of the layer composition in the direction of growth of the layer. It is characterized by high precision and reproducibility and is therefore also suitable for demanding multi-layer systems with a smooth course of the layer composition. The process can be used to produce products with previously unachieved combinations of properties. For example, with the method precision filter components, z. B. Rugate filter produce, in which the optical properties alternate periodically after a predetermined function between two limits. A further application are antireflection coatings which have at least one monotonically increasing refractive index in the growth direction. The course of the refractive index n over the layer thickness z can in this gradient transition of the function n = n H - (n H - n L ) (d - z / d) x where n L is the refractive index at the beginning and n H is the refractive index at the end of the gradient, this has the thickness d and x is a real number with 0 <x <100. The course of the refractive index n over the layer thickness z can also follow a similar exponential, power or harmonic function.

Weitere Produkte, die vorteilhafterweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können, sind dichroitische Filter, Kantenfilter, Bandpass-, Hochpass-, Tiefpass-Filter, Antireflexbeschichtungen sowie WDM-Filter (Wavelength Division Multiplexing) [Norbert Kaiser: Design optischer Schichtsysteme, Vakuum in Forschung und Praxis, 2001, Nr. 6, S. 347–353].Further products that can be produced advantageously with the method according to the invention are dichroic filters, edge filters, bandpass filters, high-pass filters, low-pass filters, antireflection coatings and Wavelength Division Multiplexing (WDM) filters [Norbert Kaiser: Design of Optical Coating Systems, Vacuum in Research and Praxis, 2001, No. 6, pp. 347-353].

Die wirtschaftliche Auswirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird außerdem bestimmt durch die hohe Abscheiderate, die mit dem Verfahren erreichbar ist und aufgrund derer die Beschichtungskosten drastisch reduziert werden können.The economic effect of the method according to the invention is also determined by the high deposition rate which can be achieved with the method and on account of which the coating costs can be drastically reduced.

Durch ein Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.By an embodiment, the inventive method will be explained in more detail.

Dabei stelltIt puts

1 schematisch den Brechzahlverlauf der herzustellenden Schicht dar. 1 schematically the refractive index profile of the layer to be produced.

2 stellt die Einrichtung zur Herstellung des Reaktivgasgemisches dar, die für die erfindungsgemäße Durchführung des Verfahrens verwendet wurde. 2 represents the device for the preparation of the reactive gas mixture, which was used for carrying out the method according to the invention.

Die beispielhafte Aufgabe besteht in der Abscheidung einer Entspiegelungsschicht, die auf einem stationär angeordneten Glassubstrat mit nur einem Targetmaterial ohne Unterbrechung des Plasmaprozesses vorgenommen werden soll.The exemplary object is the deposition of an antireflection coating, which is to be carried out on a stationary glass substrate with only one target material without interrupting the plasma process.

Aus Modellrechnungen wird der in 1 dargestellte Schichtverlauf gefordert, wobei die Ordinate die Schichtdicke und die Abszisse den Brechungsindex n bei der jeweiligen Schichtdicke z darstellt. Das geforderte Schichtsystem beinhaltet einen Gradientenübergang 1 einer Dicke von d = 170 nm, der mit einer Verbindung, die einen Brechungsindex von nL = 1,46 aufweist, beginnt und mit einer Verbindung, die einen Brechungsindex von nH = 1,99 aufweist, endet. Der Verlauf des Brechungsindex n im Gradienten über die Schichtdicke z folgt der Funktion n = nH – (nH – nL)( d – z / d)1,3. From model calculations, the in 1 layer sequence required, wherein the ordinate represents the layer thickness and the abscissa represents the refractive index n at the respective layer thickness z. The required layer system includes a gradient transition 1 of thickness d = 170 nm starting with a compound having a refractive index of n L = 1.46 and a compound having a refractive index of n H = 1.99. ends. The course of the refractive index n in the gradient over the layer thickness z follows the function n = n H - (n H - n L ) (d - z / d) 1.3 .

Daran schließt sich ein weiterer, linearer Gradientenübergang 2 mit einer Dicke von 5 nm an, der von der Brechzahl 1,99 zur Brechzahl 1,46 führt. Die letzte Teilschicht 3 besteht aus einer homogenen Schicht mit einer Brechzahl von 1,46 und einer Dicke von 90 nm.This is followed by another, linear gradient transition 2 with a thickness of 5 nm, which leads from the refractive index of 1.99 to the refractive index of 1.46. The last partial layer 3 consists of a homogeneous layer with a refractive index of 1.46 and a thickness of 90 nm.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Katodenzerstäubungsverfahren in einer Vakuumkammer, wobei Mischschichten aus den chemischen Verbindungen SiO2 und Si3N4 mit in Wachstumsrichtung veränderlichen Anteilen dieser Verbindungen abgeschieden werden, indem das Targetmaterial Si unter Einbau der Reaktivgase O2 und N2 bei einer Leistung von 3 kW und einem Druck von 0,5 Pa zerstäubt wird. Dabei weist die Verbindung SiO2 eine Brechzahl von 1,46 auf, wenn sie durch reaktives Zerstäuben eines Si-Targets im Reaktivgas O2 abgeschieden wird, während die Verbindung Si3N4 eine Brechzahl von 1,99 aufweist, wenn sie durch reaktives Zerstäuben eines Si-Targets im Reaktivgas N2 abgeschieden wird. Durch Veränderung der Anteile von O2 und N2 am Reaktivgasgemisch lassen sich die Brechzahlen der Mischschichten aus SiO2 und Si3N4 zwischen 1,46 und 1,99 einstellen. Zur Abscheidung solcher Mischschichten mit definierter Brechzahl und Dicke ist es erforderlich, durch Versuche die Abhängigkeit der Schichtzusammensetzung und der Abscheiderate vom Anteil der Reaktivgase O2 und N2 an dem aus O2 und N2 bestehenden Reaktivgasgemisch zu bestimmen. Auf diesen Versuchen aufbauend, lässt sich eine zeitliche Vorschrift für den veränderlichen Gehalt der Reaktivgase O2 und N2 am Reaktivgasgemisch vorgeben, die zur Abscheidung einer Schicht mit dem geforderten Verlauf der Brechzahl führt.The object is achieved by a Katodenzerstäubungsverfahren in a vacuum chamber, wherein mixed layers of the chemical compounds SiO 2 and Si 3 N 4 are deposited with varying in the direction of growth portions of these compounds by the target material Si incorporating the reactive gases O 2 and N 2 at a power of 3 kW and a pressure of 0.5 Pa is atomized. In this case, the compound SiO 2 has a refractive index of 1.46, if it is deposited by reactive sputtering of an Si target in the reactive gas O 2 , while the compound Si 3 N 4 has a refractive index of 1.99, if they by reactive sputtering of an Si target in the reactive gas N 2 is deposited. By changing the proportions of O 2 and N 2 on the reactive gas mixture, the refractive indices of the mixed layers of SiO 2 and Si 3 N 4 can be adjusted between 1.46 and 1.99. For the deposition of such mixed layers with a defined refractive index and thickness, it is necessary to determine by experiments the dependence of the layer composition and the deposition rate on the fraction of the reactive gases O 2 and N 2 on the reactive gas mixture consisting of O 2 and N 2 . Building on these experiments, it is possible to specify a time specification for the variable content of the reactive gases O 2 and N 2 on the reactive gas mixture, which leads to the deposition of a layer having the required course of the refractive index.

Die Herstellung des Reaktivgasgemisches erfolgt in einer Einrichtung wie in 2 dargestellt. Sie erfolgt erfindungsgemäß, indem Gasströme der Reaktivgase O2 1 und N2 2 erzeugt und über Massendurchflussregler 4 und 5 mit einem Regelbereich von 0 bis 200 sccm einzeln geregelt werden. Diese geregelten Gasströme werden in einem separaten Mischgefäß 7 mit einem Volumen von 5 cm3 zu einem Reaktivgasgemisch zusammengeführt. Ein Anteil von etwa 90% dieses Mischgasstromes wird durch eine Pumpe 10 abgesaugt. Nur ein kleiner Anteil des Mischgasstromes wird durch ein Piezo-Regelventil 8 mit einer Zeitkonstante von 1 ms derart in die Vakuumkammer 9 eingelassen, dass der reaktive Sputterprozess im „Transition mode” bei einer Abscheiderate von 100 nm/min stabilisiert wird.The preparation of the reactive gas mixture takes place in a device such as in 2 shown. It is carried out according to the invention by gas flows of the reactive gases O 2 1 and N 2 2 generated and via mass flow controller 4 and 5 be controlled individually with a control range of 0 to 200 sccm. These regulated gas streams are stored in a separate mixing vessel 7 combined with a volume of 5 cm 3 to a reactive gas mixture. A share of about 90% of this mixed gas stream is through a pump 10 aspirated. Only a small proportion of the mixed gas stream is passed through a piezo control valve 8th with a time constant of 1 ms in the vacuum chamber 9 admitted that the reactive sputtering process in the "transition mode" at a deposition rate of 100 nm / min is stabilized.

Die Summe der Volumina des Mischgefäßes, der Ausgangsseiten der Massendurchflussregler, der Eingangsseite des Piezo-Regelventils und der Pumpzuleitung beträgt 70 cm3. Parallel zu den Reaktivgasen O2 und N2 wird ein Gasstrom des inerten Gases Argon 3 erzeugt und über einen Massendurchflussregler 6 mit einem konstanten Fluss von 40 sccm der Vakuumkammer 9 zugeführt. Der Druck im Mischgasgefäß wird mit einem kapazitiven Druckaufnehmer 11 gemessen. Mit einer Steuerungseinheit 12 wird durch Vorgabe der Sollwerte der Gasströme für O2 und N2 sichergestellt, dass die Anteile von O2 und N2 im Reaktivgasgemisch der vorgegebenen zeitlichen Vorschrift folgen und dass der Druck im Mischgasgefäß auf einen vorgegebenen Wert von 50 mbar geregelt wird. Solange der Anteil von O2 am Reaktivgasgemisch größer oder gleich 50% ist, wird dabei der O2-Fluss in einer gebräuchlichen P.I.D.-Konfiguration so geregelt, dass der Druck im Mischgefäß konstant bleibt, während der Sollwert des N2-Flusses entsprechend der zeitlichen Vorschrift als prozentualer Anteil des aktuellen O2-Flusses vorgegeben wird. Sobald entsprechend der zeitlichen Vorschrift der Anteil von Stickstoff am Reaktivgasgemisch 50% übersteigt, wird der Druck im Mischgasgefäß über den Stickstofffluss konstant gehalten, während der Sollwert des O2-Flusses als konstanter Anteil des aktuellen N2-Flusses vorgegeben wird. Die sich dabei einstellenden Istwerte der Gasströme von O2 und N2 liegen zwischen 0 und 150 sccm, wobei die Summe beider Flüsse stets etwa 150 sccm beträgt. Die sich daraus ergebende Zeitkonstante für einen vollständigen Gaswechsel im Mischgefäß ist kleiner als 2 sec.The sum of the volumes of the mixing vessel, the output sides of the mass flow controller, the input side of the piezo control valve and the pump supply line is 70 cm 3 . Parallel to the reactive gases O 2 and N 2 , a gas stream of the inert gas is argon 3 generated and via a mass flow controller 6 with a constant flow of 40 sccm of the vacuum chamber 9 fed. The pressure in the mixing gas vessel is controlled by a capacitive pressure transducer 11 measured. With a control unit 12 is ensured by specifying the setpoints of the gas flows for O 2 and N 2 , that the proportions of O 2 and N 2 in the reactive gas mixture follow the prescribed time specification and that the pressure in the mixing gas vessel is controlled to a predetermined value of 50 mbar. As long as the proportion of O 2 in the reactive gas mixture is greater than or equal to 50%, the O 2 flow is regulated in a conventional PID configuration so that the pressure in the mixing vessel remains constant, while the setpoint of the N 2 flow corresponding to the temporal Specification is given as a percentage of the current O 2 flow. As soon as the proportion of nitrogen in the reactive gas mixture exceeds 50% according to the time specification, the pressure in the mixing gas vessel is kept constant via the nitrogen flow, while the desired value of the O 2 flow is specified as a constant proportion of the current N 2 flow. The thereby adjusting actual values of the gas flows of O 2 and N 2 are between 0 and 150 sccm, wherein the sum of both flows is always about 150 sccm. The resulting time constant for a complete gas change in the mixing vessel is less than 2 sec.

Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung des Gassystems wird sichergestellt, dass der Anteil von O2 und N2 am Reaktivgasgemisch kontinuierlich von 0 bis 100% geändert werden kann und dass die Veränderung der Zusammensetzung des in die Vakuumkammer eingelassenen Reaktivgasgemisches ausreichend schnell erfolgt, um den in 1 dargestellten Verlauf der Brechzahl in der Schicht, insbesondere die Gradientenübergänge, mit hoher Präzision zu erzielen.This design of the gas system according to the invention ensures that the proportion of O 2 and N 2 in the reactive gas mixture can be changed continuously from 0 to 100% and that the change in the composition of the reactive gas mixture introduced into the vacuum chamber takes place sufficiently quickly to bring about the change in the 1 illustrated course of the refractive index in the layer, in particular the gradient transitions to achieve with high precision.

Claims (8)

Katodenzerstäubungsverfahren in einer Vakuumkammer zum Abscheiden einer dünnen Schicht, die zumindest teilweise aus mindestens zwei chemischen Verbindungen mit in Wachstumsrichtung veränderlichen Anteilen dieser Verbindungen besteht, wobei jede dieser Verbindungen durch reaktives Zerstäuben des gleichen Targetmaterials oder der gleichen Targetmaterialien unter zumindest teilweisem Einbau unterschiedlicher Bestandteile eines Reaktivgasgemisches gebildet wird und der Gehalt des Reaktivgases an den schichtbildenden reaktiven Gaskomponenten einer vorgebbaren zeitlichen Vorschrift folgt, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens zwei Bestandteile des Reaktivgasgemisches aus unterschiedlichen Gasreservoiren bereitgestellt werden, – aus diesen Gasreservoiren abfließende Gasströme einzeln mittels Massen- oder Volumendurchflussreglern geregelt werden, – diese geregelten Gasströme in mindestens einem separaten Mischgasgefäß zu einem Reaktivgasgemisch zusammengeführt werden, – ein Anteil von mindestens 10 Prozent des eingelassenen Reaktivgasgemisches durch eine Pumpe abgesaugt wird, ohne in die Vakuumkammer zu gelangen, und – aus dem Mischgasgefäß mittels eines Regelventils mit einer Zeitkonstante von höchstens 50 ms ein Reaktivgasgemisch derart in die Vakuumkammer eingelassen wird, dass der reaktive Sputterprozess im „Transition mode” stabilisiert wird.A cathode sputtering method in a vacuum chamber for depositing a thin layer at least partially composed of at least two chemical compounds having growth-directional portions of these compounds, each of which compounds being formed by reactive sputtering of the same target material or materials while at least partially incorporating different constituents of a reactive gas mixture and the content of the reactive gas on the layer-forming reactive gas components follows a predeterminable time specification, characterized in that - at least two constituents of the reactive gas mixture are provided from different gas reservoirs, - gas streams flowing out of these gas reservoirs are controlled individually by means of mass or volume flow controllers, - these regulated gas streams are combined in at least one separate mixed gas vessel to form a reactive gas mixture, e in proportion of at least 10 percent of the admitted reactive gas mixture is sucked by a pump without entering the vacuum chamber, and - from the mixed gas vessel by means of a control valve with a time constant of at most 50 ms, a reactive gas mixture is admitted into the vacuum chamber such that the reactive sputtering process is stabilized in the "transition mode". Katodenzerstäubungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Druck in dem Mischgasgefäß auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.Sputtering method according to claim 1, characterized in that in addition the pressure in the mixing gas vessel is regulated to a predetermined value. Katodenzerstäubungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere gasförmige oder dampfförmige schichtbildende Komponente, die als Dotant in die dünne Schicht einbaubar ist, gemeinsam mit mindestens einem der Gasströme eingelassen und geregelt wird.Sputtering method according to claim 1 or 2, characterized in that a further gaseous or vaporous layer-forming component, which is incorporated as a dopant in the thin layer, is admitted and regulated together with at least one of the gas streams. Katodenzerstäubungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil von mindestens 50 Prozent des eingelassenen Reaktivgasgemisches durch eine Pumpe abgesaugt wird, ohne in die Vakuumkammer zu gelangen.Katodenzerstäubungsverfahren according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that a proportion of at least 50 percent of the admitted reactive gas mixture is sucked by a pump without entering the vacuum chamber. Katodenzerstäubungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens einem Siliziumtarget gesputtert wird und ein Reaktivgasgemisch verwendet wird, das Sauerstoff und Stickstoff enthält.Sputtering method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that sputtering of at least one silicon target and a reactive gas mixture is used which contains oxygen and nitrogen. Katodenzerstäubungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Reaktivgasgemisches im Mischgasgefäß so variiert wird, dass die abgeschiedene Schicht eine Gradientenschicht enthält, die entlang der Schichtdicke z einen Brechzahlverlauf aufweist, der durch folgende Formel beschrieben wird n = nH – (nH – nL)( d – z / d)x, wobei nL den Brechungsindex am Beginn und nH den Brechungsindex am Ende des Gradienten darstellt, dieser die Dicke d aufweist und x eine reelle Zahl mit 0 < x < 100 ist.Sputtering method according to claim 5, characterized in that the composition of the reactive gas mixture in the mixed gas vessel is varied so that the deposited layer contains a gradient layer along the layer thickness z has a refractive index profile which is described by the following formula n = n H - (n H - n L ) (d - z / d) x , where n L is the refractive index at the beginning and n H is the refractive index at the end of the gradient, this has the thickness d and x is a real number with 0 <x <100. Katodenzerstäubungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Reaktivgasgemisches im Mischgasgefäß so variiert wird, dass die abgeschiedene Schicht in einem ersten Teil eine Gradientenschicht enthält, die entlang der Schichtdicke z einen Brechzahlverlauf aufweist, der durch folgende Formel beschrieben wird n = nH – (nH – nL)( d – z / d)1,3, wobei nL den Brechungsindex am Beginn und nH den Brechungsindex am Ende des Gradienten darstellt, dieser die Dicke d = 170 nm aufweist, daran anschließend die abgeschiedene Schicht in einem zweiten Teil eine Gradientenschicht enthält, die 5 nm dick ist und in der sich der Brechungsindex linear von nH auf nL verändert und daran anschließend die abgeschiedene Schicht einen homogenen Teil mit konstantem Brechungsindex enthält.Sputtering method according to claim 5, characterized in that the composition of the reactive gas mixture in the mixed gas vessel is varied so that the deposited layer contains in a first part of a gradient layer along the layer thickness z has a refractive index profile, which is described by the following formula n = n H - (n H - n L ) (d - z / d) 1.3 , where n L represents the refractive index at the beginning and n H the refractive index at the end of the gradient, this has the thickness d = 170 nm, then subsequently the deposited layer contains in a second part a gradient layer which is 5 nm thick and in which Refractive index linearly changed from n H to n L and then the deposited layer contains a homogeneous part with a constant refractive index. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für die Herstellung von Rugate-Filtern, dichroitischen Filtern, Kantenfiltern, Bandpass-, Hochpass-, Tiefpass-Filtern, Antireflexbeschichtungen sowie Wavelength-Division-Multiplexing-Filtern.Use of the method according to one of claims 1 to 7 for the production of rugate filters, dichroic filters, edge filters, bandpass, highpass, lowpass filters, antireflection coatings and wavelength division multiplexing filters.
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