DE19752322A1 - Verfahren und Vorrichtung für die hochautomatisierte Herstellung von Dünnfilmen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung für die hochautomatisierte Herstellung von DünnfilmenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ablage
rung komplexer optischer mehrlagiger Beschichtungen auf einem
Substrat.
In einer Vielzahl verschiedener Bereiche wie zum Beispiel in Tele
kommunikation, wissenschaftlicher Instrumentierung, Optik usw. be
steht Bedarf für komplexere optische Dünnfilmbeschichtungen, um die
Anforderungen der fortgeschrittenen Anwendungen zu erfüllen. In der
Vergangenheit war es aufgrund von Beschränkungen bezüglich der
Gestaltungstechniken, Ablagerungseinrichtungen und Dickenüberwa
chungsinstrumentierungen nicht immer möglich, die gewünschten Fil
terspezifikationen zu erhalten. Jedoch erlaubten es in der letzten Zeit
Fortschritte in allen diesen drei Bereichen, daß komplexere Beschich
tungen konzipiert und hergestellt werden konnten.
Zum Beispiel konnten auf dem Gebiet der optischen Dünnfilmgestal
tung dramatische Vebesserungen in den letzten Jahren erzielt werden
bezüglich der Fähigkeit, Beschichtungen zu konzipieren ohne jegliche
Ausgangsgestaltung für einen vorgegebenen Materialsatz. Tatsächlich
hat der Stand der Technik bezüglich Dünnfilmgestaltungen Fortschrit
te bis zu dem Ausmaß gemacht, daß sehr komplexe Beschichtungen
aufgefunden wurden, die alles bis auf die schärfsten Filterspezifika
tionen erfüllt haben.
Der zweite Fortschritt liegt in den energetischen Ablagerungsmetho
den, die das Gebiet der Dünnfilmherstellung in den letzten 20 Jahren
dramatisch geändert haben. Früher und in großem Maße auch noch
heute wurden die meisten optischen Beschichtungen hergestellt unter
Verwendung von Elektronenstrahlverdampfung oder thermischer Ver
dampfung. Jedoch sind die durch diese Verfahren abgelagerten Mate
rialien im allgemeinen recht porös, woraus sich Filter ergeben mit
schlechter Feuchtigkeits- und Temperaturbeständigkeit, es sei denn,
daß diese speziell geschützt wurden. Neuere energetische Ablage
rungsverfahren, wie zum Beispiel die ionenunterstützte Verdampfung,
reaktive Ionenplattierung und Magnetron-Bedampfung bewirken Filme,
die derartige Eigenschaften aufweisen, daß hieraus Filter mit guter bis
exzellenter Temperatur- und Feuchtigkeitsbeständigkeit entstehen.
Vielleicht noch wichtiger ist der Umstand, daß die durch diese ener
getischen Verfahren abgelagerten Materialien optische Konstanten
aufweisen, die sehr gut reproduzierbar sind. Hierdurch wird es besser
durchführbar, komplexe optische Beschichtungen auf Routine-Basis
herzustellen.
Der dritte Vorteil lag in den Verfahren, die verwendet wurden, um die
Filmdicke während der Ablagerung zu steuern und zu überwachen.
Insbesondere wurden optische Oberwachungstechniken in den letzten
10 Jahren stark verbessert. Hochentwickelte und günstige Breitband
monitore für den sichtbaren Bereich sind nun einfach verfügbar und
Infrarotphotodiodenfelder werden immer geläufiger. Mit diesen Breit
bandmonitoren ist es nun möglich, die Dicke der abgelagerten Schicht
zu bestimmen.
In der Vergangenheit mag es für begrenzte Filtermengen nicht wirt
schaftlich gewesen sein, geringe Mengen komplexer Dünnfilmfilter zu
konzipieren und herzustellen, obwohl es einen großen Markt für sol
che Gebrauchs- oder Prototypbeschichtungen gibt. Teilweise liegt ein
Grund hierfür darin, daß es Zeit in Anspruch nimmt, eine Beschich
tung zu konzipieren und aufgrund der Anzahl von Versuchsablage
rungsläufen, die gewöhnlicherweise durchgeführt werden müssen, be
vor ein Filter erfolgreich hergestellt ist. Wenn darüber hinaus das Ab
lagerungssystem eine konstante Operatorbetätigung benötigt, damit
die Beschichtung akkurat aufgetragen wird, wachsen die Kosten noch
weiter an.
1991 wurde ein Projekt am National Research Council of Canada
(NRCC) begonnen, um ein automatisiertes Ablagerungssystem
(Automated deposition system - ADS) zu entwickeln, das routinemäßig
komplexe optische Beschichtungen automatisch herstellen konnte,
ohne daß hierfür während des Beschichtungsverfahrens eine Einfluß
nahme durch einen Operator erforderlich war.
Das ursprüngliche Hochfrequenz-ADS am NRGC bestand aus einer
Kryopumpenkammer mit einem rotierbaren Substrat, drei Hochfre
quenzbedampfungszielflächen und einem optischen Breitbandmonitor,
der nachfolgend näher beschrieben wird. Die Bedampfungsflächen
und die Kammer wurden konzipiert und gebaut von Corona Vacuum
Coaters. In dem ADS sind die Bedampfungsziele und Substrate verti
kal angebracht. Die Bedampfungszielflächen bestehen ursprüngli
cherweise aus Metall oder Halbleitern, so daß das System hochfre
quenzreaktive Bedampfung für die elektrischen Schichten verwendet.
Typische Ablagerungsraten für Materialien wie Nb2O5 und SiO2 unter
Verwendung von Hochfrequenzbedampfung bzw. -sputtern sind unge
fähr 0,1 nm/s für eine Distanz von Bedampfungsfläche und Substrat
von ungefähr 12 cm, bei einem totalen Druck von ungefähr 3 mTorr
und einem Fließverhältnis von Sauerstoff zu Argon von ungefähr 1,0.
Das Substrat wird durch einen Schrittschaltmotor gesteuert, der dazu
verwendet werden kann, das Substrat zu den verschiedenen Bedamp
fungszielflächenpositionen zu bewegen. Das Ablagerungssystem wur
de gesteuert durch einen Techware Systems Controller PAL 68000
von Brooks Automation (Canada). Ein Operator kann automatisch eine
Vielzahl verschiedener Sequenzen beginnen einschließlich das Aus
pumpen der Kammer, das Starten eines Ablagerungsdurchganges
oder das Belüften der Kammer.
Ein Echtzeitprozeßsteuerungsalgorithmus steuert die Filmablage
rungsdicke genau für niedrige Ablagerungsraten, das heißt Ablage
rungsraten der Größenordnung von 0,1 nm/s. Diese Technik erfordert
einen optischen Breitbandmonitor, der dazu in der Lage ist, genaue,
absolute Transmitanzmessungen über einen ausreichend weiten
Spektralbereich durchzuführen. Da es außerdem schwierig ist, die
Ablagerung einer Schicht in Bedampfungssystemen mit geringem Ab
stand zwischen Bedampfungsfläche und Substrat zu überwachen,
stützt sich dieses Verfahren darauf, eine oder zwei Transmittanzmes
sungen nahe dem Ende einer Beschichtungsablagerung durchzufüh
ren.
Der optische Monitor besteht aus einer Quarz-Halogen-Lichtquelle,
einer Lichtzuführoptik und einem Breitbanddetektor. Das gerichtete
Licht von der Lichtquelle durchdringt die Kammer und wird durch eine
achromatische Linse gesammelt, die das Licht durch eine Blende auf
eine kreisförmige Öffnung eines Faseroptikbündels fokussiert. Am an
deren Ende des Bündels sind die Fasern derart angeordnet, daß sie
einen Spalt am Eintritt eines Monochromators bilden. Das Licht wird
hierauf auf ein 512-Element Hamamatsu Diodenfeld gestreut. Das
Gitter wurde derart ausgewählt, daß der optische Monitor einen Spek
tralbereich zwischen 380 und 860 nm messen konnte. Um absolute
Transmittanzmessungen durchzuführen, ist es möglich, das Substrat
in den optischen Monitorlichtpfad und wieder aus diesem herauszu
bewegen. Dies ermöglicht Intensitätsmessungen mit und ohne
Substrat. Diese Messungen werden nach Herausrechnen des Hinter
grundes hierauf normalisiert, um die absolute Transmittanz des
Substrats zur Verfügung zu stellen. Dieses Meßverfahren ist vollstän
dig automatisiert.
Das letzte wesentliche Element in dem ADS-System ist ein integrier
tes Dünnfilmprogramm, das verwendet werden kann, um zuerst kom
plexe mehrlagige Beschichtungen zu konzipieren, basierend auf den
optischen Konstanten durch das vom ADS abgelagerte Material, und
kann anschließend dazu verwendet werden, die Herstellung der Be
schichtung zu überwachen. Dieses Programm kann die aktuelle oder
vorherige Schichtdicke aus der absoluten Transmittanzmessung des
optischen Monitors bestimmen. Zusätzlich kann das Programm die
verbleibenden Schichten in dem Mehrlagensystem zu jeder Zeit wäh
rend der Ablagerung reoptimieren, um die gewünschten Filterspezifi
kationen zu erhalten.
Das Programm ist in die Ablagerungssteuereinheit derart integriert,
daß es keine Details über das aktuelle Beschichtungssystem wissen
muß. Wenn es erforderlich ist, eine bestimmte Schicht abzulagern, ist
es ausreichend, das Schichtmaterial, die gewünschte Dicke und einen
Verfahrensnamen einzugeben. Die Software der Steuereinheit legt
hierauf diese Information aus, um die Bedampfungszielfläche festzu
legen, zu der das Substrat gedreht werden soll, um die Zeitdauer zu
ermitteln, die das Substrat vor der Bedampfungsfläche bleiben soll,
und um die Ablagerungsparameter zu ermitteln, die während der Ab
lagerung verwendet werden sollten. Durch Trennen des Dünnfilmsteu
eralgorithmus vom Ablagerungssystem in dieser Art und Weise ist es
möglich, das Ablagerungssystem und -verfahren komplett auszutau
schen, ohne das Dünnfilmprogramm zu beeinflussen.
Für eine vorgegebene Schicht während der Ablagerung hat der Dic
kenprozeßsteueralgorithmus im wesentlichen drei Abschnitte:
- I. Beendigung der Schichtablagerung
- II. Festlegen der abgelagerten Schichtdicke und
- III. Reoptimieren der verbleibenden Schichtdicken.
Bei dem ADS werden die Abschnitte I und II miteinander kombiniert.
Der erste Abschnitt betreffend die Beendigung einer Schichtablage
rung kann allein auf Zeit basieren, da bei diesem System eine Sput
terablagerung verwendet wird. Da die Ungenauigkeiten bei der Abla
gerung typischerweise in der Größenordnung zwischen 1 und 3% lie
gen bei einem vernünftig gesteuerten Prozeß, führt dies dazu, daß zur
Vermeidung einer zu großen Schichtdicke die zuerst festgelegte Be
dampfungsdickenfläche ungefähr 95 bis 97% der gewünschten Dicke
betragen soll. Sobald diese Unterschicht abgelagert wurde, ist es nö
tig, die aktuell abgelagerte Schichtdicke zu bestimmen gemäß Ab
schnitt II. Wie oben beschrieben, wird dies dadurch erzielt, daß ein
optischer Breitbandmonitor direkt an dem interessierenden Substrat
oder an einem Meßbild eine Messung durchführt. Das Dünnfilmpro
gramm verwendet hierauf diese Information, um die aktuell abgelager
te Schichtdicke zu ermitteln. Wenn die Schichtdicke nicht innerhalb
der festgelegten Dickentoleranz bezüglich der gewünschten Dicke ist,
können die Abschnitte I und II wiederholt werden. Da die verbleibende
Schichtdicke in der Regel recht gering ist, das heißt weniger als etwa
5 nm, sind Ungenauigkeiten in der Ablagerungsrate nicht sehr wichtig
für die zweite Unterschicht. Die festgelegte Schichtdicke wird ebenso
zu der Steuereinheit zurückübermittelt, die diese Information dazu
verwendet, ein Update der aktuellen Ablagerungsraten durchzuführen,
um die Anzahl erforderlicher Unterschichten zu minimieren.
Der letzte Abschnitt betrifft die Reoptimierung der verbleibenden
Schichtdicke, nachdem die Schicht fertiggestellt worden ist. Bei man
chen Filtern ist dieser Abschnitt nicht notwendig, jedoch ist bei ande
ren Filtern diese Reoptimierung kritisch, wenn gewünschte Filterspe
zifikationen erfüllt werden müssen.
Entscheidend für die Herstellung eines Filters mit einer guten
ADS-Funktion ist die Annahme, daß der beschichtete Filter genau model
liert werden kann. Dies erlaubt dann eine genaue Festlegung der
Schichtdicke basierend auf den experimentellen Transmittanzdaten.
Wenn dies nicht erhalten wird, ist es nicht möglich, die Herstellung
der mehreren Lagen genau zu steuern. Glücklicherweise können Pro
bleme mit der Schichtbestimmung gewöhnlich dadurch behoben wer
den, daß nachdem die optischen Konstanten des Materials in ausrei
chendem Maße charakterisiert worden sind, das Schichtbestimmungs
verfahren modifiziert oder die Mehrlagenlösung angepaßt wird. Bei
Verwendung des Dünnfilmprogramms ist es möglich, zuerst den Abla
gerungsprozeß im ADS zu simulieren, bevor eine Beschichtung er
folgt, um hierbei festzustellen, ob die Schichtfestlegungsstrategie ak
zeptabel ist.
Bei Einstellung des Schichtfestlegungsverfahrens müssen eine Viel
zahl von Faktoren berücksichtigt werden, die von der Art des herzu
stellenden Filters abhängen. Zum Beispiel ist eine minimale Schicht
dicke erforderlich, so daß ein erfaßbarer Transmittanzunterschied des
Filters ermittelbar ist, nachdem dieser beschichtet wurde. Wenn eine
Mehrfachschicht hergestellt wurde und die sich hieraus ergebende
Filterfunktion nicht innerhalb der Spezifikationen liegt, ist es möglich,
einen Wiederholungsmodus durchzuführen, da alle Transmittanzmes
sungen während eines Ablagerungsdurchgangs gespeichert werden.
Mit diesem Merkmal kann ein Operator schnell die Mehrfachbeschich
tung überprüfen und herausfinden, wo sich die Problemschicht befin
det. Es ist hierauf möglich, Schichtbestimmungsparameter im Wieder
holungsmodus anzupassen, um festzustellen, ob eine bessere Lösung
erzielt werden kann. Zum Beispiel kann eine genaue Festlegung der
Dicke einer vorgegebenen Schicht schwer zu erzielen sein in Abhän
gigkeit von dem Mehrschichtensystem. In diesem Fall kann der beste
Weg darin liegen, die aktuelle Schicht nur nach Zeit abzulagern und
Transmittanzmessungen zu verwenden, nachdem die nächste Schicht
abgelagert wurde, um exakt die Dicke beider Schichten zu ermitteln.
Hierauf kann eine Reoptimierung der verbleibenden Schicht verwen
det werden, um etwaige Dickenfehler in diesen Schichten zu berück
sichtigen.
Viele verschiedene Filterarten wurden mit dem Hochfrequenz-ADS in
den vergangen Jahren hergestellt. Diese beinhalten vollständig dielek
trische Beschichtungen wie zum Beispiel Spaltfilter, Schmal
bandtransmittanzfilter, Saugfilter, colorimetrische Filter, Antireflexfil
ter, Gebrauchsbandpaßfilter sowie Metall/Dielektrikumsbeschich
tungen.
Das Hochfrequenz-ADS hat bewiesen, automatisch komplexe optische
Filter herstellen zu können. Jedoch bestehen einige Beschränkungen
bezüglich dieses Systems, die dessen Verwendung als Produktionsab
lagerungssystems ausschließen; nämlich die geringen Ablagerungsra
ten und die in gewisser Weise beschränkte Dickengleichförmigkeit.
Einige Filtergestaltungen können bis zu 21 Stunden zur Ablagerung
benötigen. Folglich wäre es sehr vorteilhaft, dazu in der Lage zu sein,
die Beschichtungsraten in starkem Maße zu erhöhen, während zur
gleichen Zeit auch die Dickengleichmäßigkeit gesteigert würde.
Hochleistungs-Sputter, die dazu in der Lage sind, Filme mit einem
Durchsatz in der Größenordnung von 0,7 nm/s zu beschichten, sind
seit kurzem erhältlich. Unglücklicherweise hat sich herausgestellt, daß
wenn diese Quellen verwendet wurden, die Filmdicken mit dem erfor
derlichen Genauigkeitsgrad festgestellt werden konnten. Hieraus re
sultiert, daß das ADS-System, das bei niedrigen Raten gut arbeitet,
nicht dazu verwendet werden konnte, komplexe Filme automatisch
und mit kommerziell vertretbaren Durchsatzraten zu beschichten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein automati
sches Ablagerungssystem zur Verfügung zu stellen, das dazu in der
Lage ist, mit relativ hohen Durchsatzraten zu arbeiten.
Demgemäß stellt ein Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Ablage
rung einer komplexen mehrlagigen Beschichtung auf einem Substrat
zur Verfügung, wobei alle Beschichtung aus mehreren Schichten von
zumindest zwei Materialtypen besteht, wobei das Verfahren als Ver
fahrensschritte umfaßt das sequentielle Ablagern dieser Schichten in
einer Ablagerungskammer mit reaktiver Ablagerung mit hohem Durch
satz; Festlegen der Dicke der abgelagerten Schichten einmal oder
mehrmals während der Schichtenablagerung durch Durchführung opti
scher Messungen der abgelagerten Schicht und Einstellen der theore
tischen Werte, die von einem Modell der abgelagerten Schichten er
halten wurden, auf die korrespondierenden aktuellen Werte, die von
den genannten Messungen erhalten wurden; und kontinuierliches
Steuern einer Prozeßvariable, um die Homogenität der abgelagerten
Schichten sicherzustellen, so daß eine verwertbare Dickenbestim
mung von dem theoretischen Modell gemacht werden kann.
Die optisch gemessene Qualität kann zum Beispiel die Transmittanz,
die Reflektion oder der ellipsometrische Wert der Mehrfachbeschich
tung bei einer oder mehreren Wellenlängen sein. Die theoretischen
Werte können durch Anpassung einer oder mehrerer Schichtdicken
der abgelagerten Schichten in dem theoretischen Modell erhalten
werden, um die errechneten Daten des Modells an die gemessenen
Daten anzupassen.
Um die Ablagerungsraten zu erhöhen, werden Doppelwechselstrom
quellen verwendet. Diese Stromquellen ermöglichen hohe zu erzielen
de Durchsatzraten in der Größenordnung von 0,7 nm/s. In dieser
Spezifizierung liegen hohe Durchsatzraten im allgemeinen ungefähr in
der Größenordnung von 0,5 nm/s und darüber und niedrige Raten bei
Beschichtungsraten in der Größenordnung von 0,1 nm/s. Wenn jedoch -
wie oben erläutert wurde - Stromquellen mit hohen Durchsatzraten
verwendet werden, kann erfahrungsgemäß die Dicke der abgelagerten
Schicht nicht genau festgelegt werden.
Die Anmelder haben herausgefunden, daß dies aufgrund der inhomo
genen Eigenschaft des Films der Fall ist, der bei Verwendung mit
Stromquellen mit hohen Durchsatzraten aufgetragen wird, resultierend
aus dem Verlust einer stöchiometrischen Verteilung aufgrund der
schlechten Steuerung der Prozeßvariablen, wenn die Ablagerungs
energie verändert wird. Zum Beispiel wird im Falle einer reaktiven
Sputterablagerung von Nb2O5 die Schicht normalerweise dadurch auf
getragen, daß eine Niobium-(Nb-) Zielfläche in der Sputterkammer in
Anwesenheit von Sauerstoff und Argon beschossen wird. Nb- und
O-Atome werden hierauf von der Zieloberfläche geschleudert und ver
binden sich auf der Oberfläche des Substrates unter Bildung von
Nb2O5. Außerdem wirken Sauerstoffatome des Plasma mit dem an
wachsenden Film auf der Substratoberfläche zusammen. Der Sauer
stoff wird darüber hinaus durch überflüssiges Niobium gegettert, das
auf den Wänden der Kammer abgelagert wird. Wenn die an der
Nb-Zielfläche anliegende Energie geändert wird, ändert dies die Ablage
rungsrate der Nb-Atome, was hierdurch das Gettern des Sauerstoffs
stark beeinträchtigen kann. Dies führt zu einem niedrigeren oder hö
heren Sauerstoffteildruck in der Kammer, wenn die Sauerstoffdurch
satzrate konstant gehalten wird. Wenn die Ablagerungsenergie geän
dert wird, und wenn der zur Sauerstoffstrom nicht schnell angepaßt
wird, um einen konstanten Sauerstoffteildruck zu erhalten, wird die
stöchiometrische Verteilung des anwachsenden Films beeinträchtigt.
Während bei niedrigen Energien die Durchsatzanpassung ausreichend
schnell erfolgen kann, trifft dies für hohe Energien nicht zu. Dies ver
ursacht Inhomogenitäten des abgelagerten Films in Dickenrichtung.
Diese Inhomogenitäten beeieinträchtigen den ADS-Dickenbestim
mungsalgorithmus, da dieser davon ausgeht, daß homogene Filme
abgelagert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein homogener Film
dadurch erhalten, daß der Durchsatz des reaktiven Gases, typischer
weise Sauerstoff, variiert wird, um einen konstanten Teildruck dieses
Gases zu erhalten.
Es wird außerdem bevorzugt, die Schicht anfangs mit einem hohen
Durchsatz abzulagern und die Dicke durch Transmittanzmessungen zu
bestimmen, indem die gemessene Transmittanz mit der Transmittanz
verglichen wird, die aufgrund der Annahme errechnet wird, daß die
Schichten homogen sind. Die fehlende Dicke wird hierauf mit einer
niedrigen Durchsatzrate abgelagert. Typischerweise werden 95 bis 97%
der gewünschten Schichtdicke mit hohem Durchsatz abgelagert.
Wenn die Dickenmessung zeigt, daß die geeignete Dicke überschrit
ten worden ist, werden kompensierende Anpassungen bei den ver
bleibenden Schichten durchgeführt.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verfü
gung zur Ablagerung einer komplexen Mehrfachbeschichtung auf ei
nem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten aus
zumindest zwei Materialarten besteht, wobei das Verfahren als Ver
fahrensschritte umfaßt das sequentielle Ablagern der Schichten in ei
ner reaktiven Ablagerungskammer, die verschiedene Energieeinstel
lungen ermöglicht, während der Ablagerungsvorgang überwacht wird
und zumindest eine Prozeßvariable in Echtzeit gesteuert wird, um
dafür zu sorgen, daß jede Schicht die gewünschten Charakteristiken
aufweist; Einstellen zumindest einer Prozeßvariable am Beginn der
Ablagerung jeder Schicht mit Ausnahme der ersten Schicht ihrer Ma
terialart zur Anpassung an den Wert der Prozeßvariable am Ende des
letzten Beschichtungsabschnittes der vorigen Schicht mit der gleichen
Materialart bei der gleichen Leistungseinstellung.
Die obengenannte Prozeßvariable ist typischerweise der Durchsatz
des reaktiven Gases, zum Beispiel Sauerstoff.
Die Erfindung stellt außerdem eine Vorrichtung zur Ablagerung einer
komplexen Mehrfachbeschichtung auf einem Substrat zur Verfügung,
wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten zumindest zweier
Materialarten besteht, und die Vorrichtung folgendes umfaßt: Eine
Ablagerungskammer umfassend zumindest zwei Quellen für Materiali
en, die durch reaktive Ablagerung abgelagert werden; Mittel in dieser
Kammer zur Messung einer optischen Größe der abgelagerten
Schichten; Mittel zur Anpassung theoretischer, von einem Modell der
abgelagerten Schichten abgeleiteter Werte an die entsprechenden
aktuellen Werte, die von der Messung der optischen Größe erhalten
werden; und Mittel zur kontinuierlichen Steuerung einer Prozeßvaria
ble, um die Homogenität der abgelagerten Schichten sicherzustellen,
so daß eine wirksame Dickenbestimmung durch das theoretische Mo
dell durchgeführt werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnungen; hierbei zeigen
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines zur Ablagerung mit
hohem Durchsatz geeigneten Bedampfungssystem;
Fig. 2 ein Blockschaubild des Steuersystems;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Prozeßsteuerungssystems, das
auf die Erfindung angewendet werden kann;
Fig. 4 die Veränderung des Brechungsindex als eine Funk
tion des Sauerstoffteildruckes für eine Nb2O5-Schicht;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Sauerstoffstroms als
Funktion der Zeit für hohe und niedrige Ablagerungsdurch
sätze;
Fig. 6 den Sauerstoffteildruck als Funktion der Zeit nachdem
niedrige oder hohe Energie auf die Magnetronquelle aus
geübt wurde;
Fig. 7 ein schematisches Diagramm, das die Inhomogenität des
Brechungsindex der mit hohen und niedrigen Energien
abgelagerten Schichten zeigt;
Fig. 8 den Sauerstoffgasdurchsatz als Funktion der Zeit für jede
Schicht, wenn sukzessive Nb2O5-Schichten abgelagert
werden;
Fig. 9 die Zielflächenspannung als Funktion der Zeit für jede
Schicht, wenn sukzessive Nb2O5-Schichten abgelagert
werden;
Fig. 10 die Transmittanzkurven von Zwei-Peak-Interferenzfiltern,
die ohne Einstellung des Sauerstoffdurchsatzes zu Beginn
der Ablagerung an den Wert am Ende des letzten Ab
schnittes der vorigen Schicht bei gleichem Leistungsle
vel hergestellt wurden;
Fig. 11 das Brechungsindexprofil des 35-schichtigen Zwei-Peak-
Interferenzfilters aus Fig. 10;
Fig. 12 ein Ablaufdiagramm, das einen Teil des zweistufigen
Ablagerungsverfahrens in Übereinstimmung mit der Er
findung zeigt, das geeignet ist für hohe und niedrige
Energien;
Fig. 13 ein Ablaufdiagramm, das das komplette zweistufige Ab
lagerungsverfahren zeigt;
Fig. 14 den Sauerstoffdurchsatz als Funktion der Zeit für meh
rere Schichten, die durch Einstellung des Sauerstoff
durchsatzes zu Beginn der Ablagerung auf den Wert am
Ende des letzten Abschnittes der vorigen Schicht bei
gleichem Leistungslevel abgelagert wurden;
Fig. 15 die Zielflächenspannung als Funktion der Zeit für meh
rere Schichten für ein System, das in Übereinstimmung
mit Fig. 14 hergestellt wurde;
Fig. 16 die Transmittanz eines Zwei-Peak-Interferenzfilters, der
durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde;
Fig. 17 die Transmittanz des Zwei-Peak-Interferenzfilters aus
Fig. 16 für eine breitere Spektralregion;
Fig. 18 bis 19 die Ergebnisse eines Wiederholgenauig
keitstests fünf verschiedener Durchgänge
eines mehrschichtigen Spaltfilters, der in
Übereinstimmung mit der vorliegenden Er
findung hergestellt wurde; und
Fig. 20 das Brechungsindexprofil, des in Fig. 18 abgebilde
ten Spaltfilters.
Wie in Fig. 1 (linke Bildhälfte enthält Seitenansicht, rechte Bildhälfte
Draufsicht) dargestellt, umfaßt die zylindrische Sputter- oder Bedamp
fungskammer eine Vakuumkammer 1 mit einer Kryopumpe 2, zwei Be
dampfungsquellen 3 und einen Käfig 4, der Substrate 5 trägt. Der Kä
fig 4 kann um eine vertikale Achse mit einem Schrittschaltmotor 6a
gedreht werden.
Die Substrate 5 können vor eine von zwei vertikalen Metall- oder
Halbleiterzielflächen positioniert werden. Um Oxidschichten zu erhal
ten, werden die Magnetronquellen in einer Kammer betätigt, die mit
einer geeigneten Mischung von Ar- und O2-Gasen gefüllt ist.
Die Kammer weist außerdem eine Belichtungsquelle 6b auf, der ge
genüber ein Gitter und Photodiodenfeld (PDA) 7 angeordnet ist, um
Lichttransmittanzmessungen zu erlauben, die durch Drehung des Kä
figes durchgeführt werden, wodurch das Substrat in dem Lichtstrahl 8
liegt. Das optische Überwachungssystem ist dazu geeignet, die
Transmittanz der Substrate 5 in dem Spektralbereich zwischen 400
und 800 nm zu messen. Ein Einlaß 9 ermöglicht eine Argon- und Sau
erstoffvermischung und ein Drucksensor 10 mißt den Gesamtdruck in
der Kammer, der ungefähr 3 mTorr beträgt.
Die Bedampfungsquellen 3 bestehen aus zwei Zweifachwechsel
strommagnetronquellen (ungefähr 8 × 40 cm), die an Stromzufuhrgerä
te von Advandced Energy 40 kHz, 10 kW angeschlossen sind.
Die zwei Zweifachwechselstrommagnetronquellen und die Kammer
sind von Shincron Co. Ltd., Tokyo, Japan hergestellt. Das System
wird gesteuert durch einen Prozeßsteuercomputer 12, der ein
Techware II+-Controller sein kann, der von Brooks Automation
(Kanada) hergestellt ist. Ein anderer Computer 13 bearbeitet ein Pro
gramm mit einem Echtzeitprozeßsteueralgorithmus zur Ablagerung
von komplexen Mehrfachschichtsystemen. Der optische Monitor ist
vom Typ Hamamatsu PMA-50.
Das Basissteuerungssystem ist in Fig. 2 dargestellt. Das System
verwendet zwei Computer 12, 13, einen zur Prozeßsteuerung und den
anderen für das Dickenbestimmungsverfahren, wobei es offensichtlich
ist, daß ein herkömmlicher Computer auch für beide Vorgänge ver
wendet werden könnte. Jeder Computer ist ausgestattet mit einem
Speicher 16, 17.
Der Computer 12 erhält seinen Input unter anderem von dem Dicken
bestimmungscomputer 13 und dem Drucksensor 10, der den To
taldruck in der Kammer mißt. Dieser ist proportional zum Sauerstoff
teildruck, da sich der Argoninhalt nicht in größerem Maße ändert. Der
Computer 12 hält den Sauerstoffteildruck konstant, indem der Sauer
stoffdurchsatz mit der Steuereinheit 11 variiert wird. Der Computer 12
steuert die Ablagerungsrate durch Steuerung des Energiewertes, der
an die Quellen 3 angelegt wird mittels einer Energiesteuereinheit 14.
Vor dem Beginn der Ablagerung kann das gewünschte Filterdesign
auf den Computer 13 geladen werden. Hierauf wird ein Substrat in die
Ablagerungskammer gegeben und das ADS wird automatisch ausge
pumpt und wartet entweder eine vorbestimmte Zeitdauer lang oder
darauf, daß ein akzeptabler Basisdruck erreicht wird. An diesem Punkt
wird ein Plasma in der Kammer gezündet und die Sputterzielflächen
vorgereinigt. Wenn das Bedampfungssystem fertig ist, fordert der
Controller Informationen bezüglich der ersten Schicht von dem Film
programm an.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, zerlegt das Programm zuerst die aktuel
le Schicht und sendet hierauf den Materialnamen der aktuellen
Schicht zusammen mit der gewünschten Dicke und dem Prozeßnamen
für die Schicht (B). Der Controller errechnet hierauf die für die Abla
gerung der festgelegten Schichtdicke erforderliche Bedampfungszeit
und dreht das Substrat zu dem geeigneten Ziel für die gewünschte
Zeit, nachdem die Ablagerungsparameter modifiziert worden sind.
Nachdem die Schicht mit einem hohen Durchsatz abgelagert wurde,
typischerweise mit 0,7 nm/s, aktiviert der Controller das Dünnfilmpro
gramm, welches dann mit dem optischen Breitbandmonitor eine
Transmittanzmessung des Substrats in einem Spektralbereich zwi
schen 380 und 860 nm durchführt (D).
Das Dünnfilmprogramm verwendet diese Daten, um die aktuelle, abge
lagerte Schichtdicke zu ermitteln (E), indem die beste Übereinstim
mung mit den errechneten Transmittanzdaten gefunden wird. Dies
wird erhalten durch Anpassung der Schichtdicke des theoretischen
Modells, bis die beste Übereinstimmung mit den gemessenen Daten
erhalten wird.
Wenn keine ausreichende Dicke aufgetragen wurde (F), werden die
Schritte (B) bis (E) mit niedrigem Durchsatz wiederholt, typischerweise
mit 0,1 nm/s, bis die Dicke innerhalb einer festgelegten Toleranz der
gewünschten Dicke liegt. Wenn eine zu große Dicke aufgetragen wur
de oder wenn die vorhergesagte Filterleistung nicht mehr akzeptabel
ist, können die Dicken der verbleibenden Schichten entsprechend an
gepaßt bzw. reoptimiert werden (G), bevor die nächste Schicht aufge
tragen wird (H). Dieses Verfahren wird wiederholt, bis alle Schichten
aufgetragen wurden. Häufig ist keine Reoptimierung während der Ab
lagerung erforderlich, da die Schichtdickensteuerung eine Genauigkeit
von 1 nm oder besser aufweist.
Beim reaktiven Sputtern wird das reaktive Gas (wie zum Beispiel Sau
erstoff oder Stickstoff) in die Ablagerungskammer 1 zusammen mit
Argon eingeführt. Wenn des Gasstrom hoch genug ist, bildet sich eine
dielektrische (isolierende) Schicht auf der Oberfläche der Zielfläche.
Dieser Prozeß ist als "poisoned target mode sputtering" bekannt und
erzeugt üblicherweise hochqualitative Filme mit geringer oder gar kei
ner Absorption. Die positiven Ar-Ionen tragen sowohl Metall- als auch
Sauerstoffatome ab, so daß diese nachfolgend das Substrat bedec
ken. Außerdem reagiert der im Plasma vorhandene atomische Sauer
stoff auch mit dem anwachsenden dielektrischen Film auf dem
Substrat. Wenn eine Gleichspannung an der Zielfläche angelegt wird,
lädt sich die dielektrische Schicht schnell auf und das Plasma wird
gelöscht und das Sputtern endet. Um dies zu vermeiden, wird eine
Hochfrequenz- oder Wechselspannung an der Zielfläche angelegt.
Dies ermöglicht es, eine negative Vorspannung an der Zielfläche auf
rechtzuerhalten und bewirkt, daß der Sputterprozeß fortgesetzt wird.
Es ist wichtig, daß die dielektrischen Filme, die durch reaktives Ma
gnetronsputtern hergestellt werden, die korrekte Zusammensetzung
(das heißt stöchiometrische Verteilung) haben, wobei die Ablagerung
einer Oxydschicht aus einem metallischen Ziel mit (reaktiven) Sauer
stoffgas in der Kammer berücksichtigt werden muß. Es wurde experi
mentell herausgefunden, daß der Brechungsindex des Films wechseln
kann, wenn zu viel oder zu wenig Sauerstoff in der Kammer vorhan
den ist. Eine ungleiche stöchiometrische Verteilung kann auch zu ei
nem Anwachsen der Absorption des Films führen. Zum Beispiel ergibt
ein Sauerstoffteildruck unterhalb des Druckes, bei dem ein Sputtern
erfolgt, in einem Modus mit blankem Metall einen metallnahen Film
(siehe Fig. 4). Oberhalb dieses Sauerstoffteildruckes ist die Ziel
oberfläche teilweise oder vollständig oxidiert, woraus Oxydfilme mit
geringer oder gar keiner Absorption resultieren. Deshalb wird der Be
triebssauerstoffteildruck üblicherweise derart ausgewählt, daß er bei
einem sicheren Wert oberhalb dieses Übergangs-Sauerstoffteil
druckes liegt.
Gesetzt den Fall, daß während eines reaktiven Bedampfungsverfah
rens der Argondurchfluß konstant ist und der Sauerstoffdurchfluß an
gepaßt wird, um einen konstanten Totaldruck von Argon und Sauer
stoff in der Kammer zu halten, und wenn ein ausreichend hoher Strom
an die Magnetronzielfläche angelegt wird, findet das Bedampfen statt.
Das Metall, das auf den Substraten und an den Wänden der Kammer
abgelagert wird, reagiert mit dem Sauerstoffgas in der Kammer, um
eine Verbindung zu bilden. Hieraus resultiert, daß zuerst die Menge
des freien Sauerstoffs in der Kammer reduziert wird. Dieser Prozeß,
der wie eine selektive Pumpe für Sauerstoff agiert, ist als "Gettern"
bekannt. Da jedoch das Verfahren darauf abzielt, einen konstanten
Gesamtdruck von Argon und Sauerstoff aufrechtzuerhalten, während
der Durchfluß von Argon konstant gehalten wird, wird der Durchfluß
von Sauerstoff erhöht. Nach einiger Zeit stellt sich ein stabiler Zu
stand wieder ein. Die hierfür erforderliche Zeit hängt von der Menge
an das Magnetron angelegten Energie und von den PID-Parametern,
die den Sauerstoffdurchfluß steuern, ab.
Von dem schematischen Diagramm in Fig. 5 läßt sich ersehen, daß
bei niedrigen Energien die Änderungen der Sauerstoffdurchsatzrate
gering ist, die Erholung schnell erfolgt und der Sauerstoffdurchfluß
relativ stabil während der für die Ablagerung eines dünnen Filmes er
forderlichen Zeitspanne bleibt. Während der Hochenergiebedampfung
ist das Gettern viel größer und die Zeit, die zum Ablagern einer vor
gegebenen Filmdicke erforderlich ist, viel kürzer verglichen mit der
Ablagerung bei niedrigem Durchsatz. Demzufolge variiert die Sauer
stoffdurchflußrate markant während der Bildung der Schicht. Ände
rungen der Sauerstoffdurchflußrate übertragen sich in Änderungen
des Sauerstoffteildruckes (Fig. 6). Hieraus resultiert eine Verände
rung des Brechungsindex innerhalb dieser Schicht. Das schematische
Diagramm in Fig. 7 zeigt, daß der Brechungsindex konstant über den
größten Teil des bei niedrigem Durchsatz abgelagerten Films bleibt.
Jedoch bei hohen Durchsatzraten unter Verwendung dieser
Gas-Steuerungsstrategie variiert der Brechungsindex der Beschichtung in
nerhalb der Beschichtung. Ebenso können Änderungen des Sauer
stoffteildrucks in der Kammer signifikant die Filmqualität aufgrund von
Gasstreuung beeinträchtigen. Dies hat Einfluß auf die Mikrostruktur
des Films und wiederum auf dessen Brechungsindex. Diese Effekte
sind nicht sehr wichtig bei Ablagerung von Schichten mit niedriger
Durchsatzraten, jedoch können sie zu ernsten Problemen aufgrund
von Brechungsindexinhomogenitäten bei einer Ablagerung mit hohen
Durchsatzraten führen.
Bei niedrigen Durchsatzraten kann ein konstanter Gesamtgasdruck
und ein konstanter Argonstrom aufrechterhalten werden, während der
gleiche anfängliche (feste) Sauerstoffgasstrom für die Ablagerung je
der Schicht des gleichen Materials vorgesehen wird. Zu dem Zeitpunkt
bei dem die Energie geändert wird, um eine Absorption in den Filmen
zu verhindern, stellt dieser anfängliche feste Wert einen überschüssi
gen Sauerstoffstrom zur Verfügung, der oberhalb dessen liegt, was
während einer Bedampfung in stabilem Zustand erforderlich ist. Folg
lich fällt der Sauerstoffdurchfluß in diesem Fall ab. Der Gassteueral
gorithmus kann hierauf automatisch den Sauerstoffgasstrom anpas
sen, um den Gesamtgasdruck konstant zu halten. Die PID-Sauerstoff
strom-Steuerparameter werden ausgewählt, um Oszillationen des Ge
samtgasdruckes zu verhindern. Dieser Algorithmus ermöglicht es, daß
der Sauerstoffgasstrom automatisch eingestellt wird, wenn die Abla
gerungsenergie geändert wird oder falls die Gaspumpengeschwindig
keit langsam abgesackt ist. Obwohl der oben erwähnte Prozeß zufrie
denstellend bei niedrigen Durchsatzraten ist, ist er ziemlich ungeei
gnet bei hohen Durchsatzraten.
Fig. 8 zeigt den experimentell gemessenen Sauerstoffstrom als
Funktion der Zeit, nachdem eine hohe konstante Energie an die mit
hohem Durchsatz arbeitenden Niobiumwechselstrommagnetronquelle
angelegt wird. Die alte Gassteuerungsstrategie wurde verwendet, um
vier separate Nb2O5-Schichten abzulagern. (Zwischen den Nb2O5-
Schichten wurden auch SiO2-Schichten abgelagert.) Die gleiche an
fängliche Sauerstoffdurchflußrate wurde zu Beginn jeder Schicht ver
wendet. Diese Rate war hoch genug, um Absorptionsprobleme zu
verhindern. Der Sauerstoffdurchfluß wurde hierauf angepaßt um den
Gesamtargon- und -sauerstoffdruck konstant zu halten. Wie leicht
feststellbar ist, liegt ein signifikanter Abfall des Sauerstoffgasstromes
vor. Es ist wahrscheinlich, daß ein Abdriften der Pumpgeschwindigkeit
verantwortlich ist für die verschiedenen Werte, bei denen sich der
Sauerstoffteildruck bei den vier Schichten stabilisiert hat.
Fig. 9 zeigt die entsprechenden Niobium-Zielspannungen, die aus
den Veränderungen des Sauerstoffstromes resultieren. Zielspannun
gen sind ein guter Indikator dafür, ob sich die Ablagerungsbedingun
gen stabilisiert haben und folglich der Brechungsindex des Films
konstant ist. Die Übereinstimmung zwischen diesen Kurven ist besser,
jedoch besteht immer noch eine signifikante Änderung zu Beginn der
Ablagerung jeder Schicht. Deshalb ist es sicher, daß die vier Schich
ten signifikanten Brechungsindexinhomogenitäten aufweisen. Inhomo
genitäten der Brechungsindices der Schichten haben einen starken
Effekt auf die Genauigkeit des Dickensteuerungsverfahrens. Der
Schlüssel zur Ablagerung komplexer mehrschichtiger Filter in dem
ADS liegt in der genauen Festlegung der Schichtdicken basierend auf
den Transmittanzmessungen. Das vorliegende Dickenfestlegungsver
fahren setzt ein Modell voraus, bei dem alle Schichten homogen sind.
Dieses Modell stimmt nicht, wenn signifikante Inhomogenitäten des
Brechungsindex in den Schichten vorliegen. Es ist unpraktisch, das
Modell derart zu modifizieren, daß Inhomogenitäten berücksichtig
werden können. Dieses würde die Analyse stark verkomplizieren: Ein
sehr komplexes Modell müßte verwendet werden, um die Tatsache zu
berücksichtigen, daß das Ausmaß dieser Inhomogenität von Schicht
zu Schicht ebenso wie von Durchlauf zu Durchlauf unterschiedlich
sein kann. Wenn jedoch das Vorhandensein einer starken Inhomo
genität ignoriert wird, beginnt die Dickenbestimmungssoftware nach
einiger Zeit, falsche Dickenwerte zu errechnen. Sobald dies erfolgt,
wird es fast unmöglich, den gewünschten Filter akkurat zu beschichten.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel hierfür. Es zeigt die gemessenen Transmit
tanzkurven dreier 35 Schicht-Zwei-Peak-Interferenzfilter basierend auf
Nb2O2 und SiO5 und hergestellt durch Wechselstrommagnetronsput
tern mit hohem Durchsatz unter Verwendung der Prozeßsteuerung,
die schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, mit dem oben beschriebe
nen Gassteuerungsalgorithmus. Das Brechungsindexprofil dieses Fil
ters ist in Fig. 11 dargestellt. Die ersten 95 bis 97% der gewünsch
ten Schichtdicke wurden mit hohem Durchsatz aufgetragen (was er
forderlich ist, um die Einrichtung kommerziell einsetzbar zu machen),
aber die verbleibenden 3 bis 5% wurden mit niedrigem Durchsatz
aufgetragen, um genau die gewünschten Gesamtschichtdicken zu er
halten. Es läßt sich feststellen, daß von Durchgang zu Durchgang ei
ne schlechte Wiederholbarkeit vorliegt und daß keiner der Filter
rechteckige Bandpaßformen aufweist, die sie eigentlich haben sollten.
Diese Probleme können direkt den Dickenbestimmungsproblemen zu
geschrieben werden, die aus den Inhomogenitäten der Brechungsin
dices der individuellen Schichten in dem System resultieren.
Ein wichtiger Faktor zur Eliminierung dieses Problems besteht darin,
die Restabilisierungszeit zu reduzieren und folglich die Inhomogenität
der Schichten, die sowohl durch reaktives Bedampfen mit niedrigen
als auch mit hohen Durchsatzraten beschichtet sind. Anstatt die glei
che (feste) Anfangssauerstoffgasströmung für jede Schicht sowohl
für Niedrig- als auch für Hochenergieeinstellungen zu verwenden, ba
siert der anfängliche Gasstrom auf dem Sauerstoffgasstrom des glei
chen Zieles für die letzte Schicht, die unter den gleichen Energiebe
dingungen aufgetragen wurde. Das heißt, wenn der Sauerstoffgas
strom 10,0 sccm am Ende einer Nb2O5-Schicht betrug, die mit hoher
Durchsatzrate beschichtet wurde, dann wäre der anfängliche Sauer
stoffgasstrom für die nächste Beschichtung einer Nb2O5-Schicht mit
der gleichen hohen Durchsatzrate bei einem Wert von 10,0 sccm.
Hieraus ergibt sich eine viel schnellere Stabilisierungszeit und dies
reduziert die in dem Film vorhandene Inhomogenität.
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung dieser Schichtauftra
gungsstrategie. Die Kästchen B bis E des Ablaufdiagramms der Pro
zeßsteuerung für das in Fig. 3 dargestellte Verfahren zur reaktiven
HF-Sputterbeschichtung werden durch die in Fig. 13 dargestellten
Schritte ersetzt. Nachdem die Schicht- und Prozeßinformation (hohe
Durchsatzrate, niedrige Durchsatzrate) zur Verfügung gestellt sind
(A), holt sich der Prozeß-Controller die Sauerstoffdurchsatzrate, die
am Ende der letzten Beschichtung einer Schicht mit dem gleichen
Material und mit den gleichen Prozeßbedingungen gesputtert wurde,
also mit dem gleichen Energiewert (B). Die Schicht wird hierauf auf
getragen (C) und die Sauerstoffdurchsatzrate wird gespeichert für zu
künftige Verwendungen während der Beschichtung einer nachfolgen
den Schicht des gleichen Materials, kurz bevor das Abtragen der
Schicht beendet wird (D). Die Transmittanz des Schichtensystems
wird gemessen mit dem optischen Breitbandmonitor (E) und die
Schichtdicke wird ermittelt (F).
Das komplette Ablaufdiagramm, das die Prozeßsteuerung verwendet,
ist in Fig. 13 dargestellt. Für jedes Beschichtungsmaterial a, b, c . . .
sind verschiedene Äste vorgesehen. Die Kästchen (D) und (E) ent
sprechen Beschichtungen mit hohen (D) bzw. niedrigen (E) Durchsatz
raten. Jedes dieser Kästchen besteht aus all den in Fig. 12 darge
stellten Schritten; sie unterscheiden sich lediglich in der Tatsache,
daß ihre Durchsatzraten verschieden sind, und werden deshalb ge
speichert in und geladen von verschiedenen Positionen des Speichers
(16).
Die oben beschriebenen Experimente werden wiederholt, außer wenn
die neue Gasprozeßsteuerungsstrategie angewendet wird. Fig. 14
zeigt den gemessenen Sauerstoffstrom, der als Funktion der Zeit aus
gedruckt ist, nachdem eine konstante Energie an die Wechselstrom-
Magnetronquelle angelegt wurde während der reaktiven Beschichtung
5 verschiedener Nb2O5-Schichten. (Zwischen den Nb2O5-Schichten
wurden SiO2-Schichten aufgetragen.) Dieses Mal wurde die anfängli
che Sauerstoffdurchflußrate für jede Nb2O5-Schicht, die mit hoher
Energie aufgetragen wurde, auf den gleichen Wert wie am Ende der
Beschichtung der letzten Nb2O5-Schicht mit der gleich hohen Energie
eingestellt. Erneut war der Argonstrom konstant und der Sauer
stoffstrom wurde angepaßt, um den Gesamtdruck (Ar + O5) konstant
zu halten. Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, daß der Sauer
stoffstrom sich schnell stabilisiert hat bei Verwendung dieser neuen
Gasdrucksteuerung.
Fig. 15 zeigt die experimentell gemessene Veränderung der Ziel
spannung gegenüber der Zeit, die aus der Veränderung des in Fig.
14 dargestellten Sauerstoffstromes resultiert. Man kann erkennen, daß
die Zielspannung sich ebenso sehr schnell stabilisiert hat, und daß
dies in verstärktem Maße wiederholbar war. Zielspannungen sind ein
guter Indikator dafür, ob die Ablagerungsbedingungen sich stabilisiert
haben und folglich der Brechungsindex der aufgetragenen Schicht
konstant ist.
Fig. 16 zeigt die experimentell gemessenen Transmittanzkurven von
Zwei-Peak-Interferenzfiltern, die in fünf verschiedenen Ablagerungs
durchläufen hergestellt wurden unter Verwendung des Prozeßsteue
rungssystems, das schematisch in den Fig. 12 und 13 dargestellt
ist. Es läßt sich erkennen, daß die Filterform nun exzellent ist und
eine sehr gute Reproduzierbarkeit von Durchgang zu Durchgang vor
liegt. Die Positionen der Peaks befinden sich innerhalb von 0,2 nm
der Wellenlängenspezifizierungen der vorhandenen Konstruktion. Wie
in Fig. 17 erkennbar ist, ist die Wiederholbarkeit sehr gut in einem
räumlichen Bereich zwischen 400 und 900 nm, dies sogar obwohl der
interessierende Spektralbereich nur zwischen 420 und 580 nm liegt.
Folglich ermöglicht die Kombination des vorstehend beschriebenen
ADS-Dickensteuerungsalgorithmus, der Hochleistungs-Wechselstrom
magnetronablagerungsquellen und der neuen ADS-Gasprozeßsteuerung,
daß eine erfolgreiche automatische Beschichtung komplexer Filter in
einem Fünftel bis einem Zehntel der ursprünglich erforderlichen Zeit
durchgeführt werden kann. Hierdurch wird das vorliegende
ADS-System kommerziell verwendbar.
Eine Vielzahl von Materialien, beispielsweise Nb2O5, SiO2, Al2O3 und
ZrO2 wurden mit diesem System aufgetragen. Die Durchsatzraten für
Nb2O5 und SiO2 betrugen jeweils ungefähr 0,7 nm/s. Das heißt, daß
Filter, die ursprünglich mehr als 21 Stunden zur Beschichtung benö
tigten, nun ungefähr nur noch drei Stunden benötigen. Die Dic
kengleichförmigkeit für ein stationäres Substrat beträgt ± 1% in ei
nem 70 × 70 mm-Bereich und ± 2,5% in einem 110 × 140 mm-
Bereich. Eine Vielzahl anderer Filteraufbauten wurde aufgetragen, um
zu demonstrieren, daß das beschriebene System eine gute Wieder
holbarkeit von Durchgang zu Durchgang aufweist, um sich an das
oben beschriebene Hochfrequenzsystem anzupassen.
Einer dieser Demonstrationsfilter war ein Stabfilter. Das Brechungsin
dexprofil dieser 58-Schichten-Beschichtung ist in Fig. 20 dargestellt.
Um den Stabfilter exakt an der gleichen Wellenlänge zu positionieren
wurde der Filter in verschiedenen Ablagerungszuständen reoptimiert.
Fünf verschiedene Ablagerungsdurchläufe wurden durchgeführt und
die Normaleinfall-Transmittanzmessung der Filter ist in Fig. 18 dar
gestellt. In dieser Figur läßt sich klar erkennen, daß das beschriebene
System eine exzellente Reproduzierbarkeit aufweist. Die Präzision
des ADS-I ist in Fig. 19 hervorgehoben, die zeigt, daß die Stabwel
lenlänge um nicht mehr als 0,3 nm im Verlaufe der fünf Ablagerungs
durchgänge variiert.
Die oben aufgeführten Resultate bestätigen, daß es nicht nur möglich
ist, komplexe Filter zu konzipieren, um geforderte Spezifikationen zu
erfüllen, sondern daß es nun möglich ist, diese automatisch und auf
Routinebasis herzustellen. Zusätzlich ist es nun möglich, diese Be
schichtungen mit hohen Beschichtungsraten und mit gutem Dicken
gleichmäßigkeit herzustellen. Mit diesen bei den Dünnfilmkonzeptions-
und Herstellungstechnik gemachten Vorteilen, sollte es in der nahen
Zukunft möglich sein, ein integriertes Dünnfilmkonzeptions- und Be
schichtungssystem zur Verfügung zu stellen, bei dem ein Operator
detaillierte Filterspezifikationen in ein System eingeben kann, welches
dann automatisch den Filter konzipiert und herstellt.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit Sputtern bzw. Bedampfung
beschrieben wurde, liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, diese
auch auf andere Formen der reaktiven Ablagerung anzuwenden, wie
zum Beispiel reaktive Ionenbedampfung, reaktives Ionenplattieren
oder ionenunterstützte Beschichtung.
Claims (34)
1. Verfahren zur Ablagerung einer komplexen mehrlagigen Beschichtung
auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten
zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei das Verfahren die fol
genden Verfahrensschritte umfaßt:
Sequentielles Ablagern zumindest eines Teils dieser Schichten in einer Ablagerungskammer durch reaktive Ablagerung mit hohem Durchsatz;
Bestimmen der Dicken der abgelagerten Schichten zu einem oder meh reren Zeitpunkten während der Schichtenablagerung durch Durchführen optischer Messungen der abgelagerten Schicht und Anpassen theoreti scher, von einem Modell der abgelagerten Schichten erhaltener Werte an die entsprechenden aktuellen, von den genannten Messungen erhal tenen Werte; und
kontinuierliches Steuern einer Prozeßvariable, um die Homogenität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine gültige Dickenbe stimmung von dem theoretischen Modell gemacht werden kann.
Sequentielles Ablagern zumindest eines Teils dieser Schichten in einer Ablagerungskammer durch reaktive Ablagerung mit hohem Durchsatz;
Bestimmen der Dicken der abgelagerten Schichten zu einem oder meh reren Zeitpunkten während der Schichtenablagerung durch Durchführen optischer Messungen der abgelagerten Schicht und Anpassen theoreti scher, von einem Modell der abgelagerten Schichten erhaltener Werte an die entsprechenden aktuellen, von den genannten Messungen erhal tenen Werte; und
kontinuierliches Steuern einer Prozeßvariable, um die Homogenität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine gültige Dickenbe stimmung von dem theoretischen Modell gemacht werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die Prozeßvariable die Durchflußrate einer Reaktivgaskomponente
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die Durchflußrate derart gesteuert wird, daß der Gesamtdruck im
wesentlichen konstant bleibt.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
wobei die Reaktivgaskomponente Sauerstoff ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die genannten Schichten durch reaktives Sputtern abgelagert
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei jede Schicht anfangs mit hoher Durchsatzrate abgelagert wird, ei
ne Dickenbestimmung durchgeführt wird und eine etwaige noch erfor
derliche Dicke mit einer niedrigen Durchsatzrate abgelagert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei zumindest eines der genannten Materialien Nb2O5 ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei zumindest eines der Materialien SiO2 ist.
9. Verfahren zur Ablagerung einer komplexen mehrlagigen Beschichtung
auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten
zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei das Verfahren die fol
genden Verfahrensschritte umfaßt:
Sequentielles Ablagern dieser Schichten in einer Ablagerungskammer durch reaktive Ablagerung mit hohem Durchsatz;
Bestimmen der Dicken der abgelagerten Schichten zu einem oder meh reren Zeitpunkten während der Schichtenablagerung durch Durchführen optischer Messungen der abgelagerten Schicht und Anpassen theoreti scher, von einem Modell der abgelagerten Schichten erhaltene Werte an die entsprechenden aktuellen, von den genannten Messungen erhalte nen Werte; und
kontinuierliches Steuern des Durchflusses eines reaktiven Gases, um die Homogenität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine gültige Dickenbestimmung von dem theoretischen Modell gemacht wer den kann.
Sequentielles Ablagern dieser Schichten in einer Ablagerungskammer durch reaktive Ablagerung mit hohem Durchsatz;
Bestimmen der Dicken der abgelagerten Schichten zu einem oder meh reren Zeitpunkten während der Schichtenablagerung durch Durchführen optischer Messungen der abgelagerten Schicht und Anpassen theoreti scher, von einem Modell der abgelagerten Schichten erhaltene Werte an die entsprechenden aktuellen, von den genannten Messungen erhalte nen Werte; und
kontinuierliches Steuern des Durchflusses eines reaktiven Gases, um die Homogenität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine gültige Dickenbestimmung von dem theoretischen Modell gemacht wer den kann.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei der Durchfluß des reaktiven Gases derart gesteuert wird, daß der
Gesamtdruck in der Ablagerungskammer ungefähr konstant bleibt wäh
rend des Ablagerungsprozesses.
11. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei jede Schicht anfangs mit einer hohen Durchsatzrate abgelagert
wird, die Dicke bestimmt wird, und eine etwaig noch erforderliche Dicke
mit einer niedrigen Durchsatzrate abgelagert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei der Wert der Durchflußrate des reaktiven Gases am Ende jedes
Ablagerungsabschnittes einer Schicht bei einem vorgegebenen Energie
wert gespeichert wird, und wobei dieser Wert verwendet wird als An
fangswert für den entsprechenden Abschnitt der nächsten Schicht mit
den gleichen Ablagerungsbedingungen und dem gleichen Energiewert.
13. Verfahren zur Ablagerung einer komplexen mehrlagigen Beschich
tung auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schich
ten zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei das Verfahren die
folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
Sequentielles Ablagern dieser Schichten in einer reaktiven Ablagerungs kammer und Überwachen des Ablagerungsprozesses und Steuern zumin dest einer Prozeßvariable in Echtzeit, um jede Schicht mit den ge wünschten Charakteristiken zu versehen; und
Einstellen zumindest einer Prozeßvariable am Anfang der Beschichtung jeder Schicht mit Ausnahme der ersten Schicht ihres Materialtyps, um sie an den Wert der Prozeßvariable am Ende eines entsprechenden Ab lagerungsabschnittes der vorherigen Schicht des gleichen Materialtyps anzupassen.
Sequentielles Ablagern dieser Schichten in einer reaktiven Ablagerungs kammer und Überwachen des Ablagerungsprozesses und Steuern zumin dest einer Prozeßvariable in Echtzeit, um jede Schicht mit den ge wünschten Charakteristiken zu versehen; und
Einstellen zumindest einer Prozeßvariable am Anfang der Beschichtung jeder Schicht mit Ausnahme der ersten Schicht ihres Materialtyps, um sie an den Wert der Prozeßvariable am Ende eines entsprechenden Ab lagerungsabschnittes der vorherigen Schicht des gleichen Materialtyps anzupassen.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei ein größerer Bereich jeder Schicht mit einer hohen Durchsatzrate
und ein etwaiger verbleibender Bereich jeder Schicht mit einer relativ
niedrigen Durchsatzrate abgelagert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei Schichten unter Verwendung eines reaktiven Sputterverfahrens
abgelagert werden, und wobei die Prozeßvariable die Durchflußrate ei
nes reaktiven Gases ist, das erforderlich ist, um einen gewünschten
Druck in der Ablagerungskammer aufrechtzuerhalten.
16. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei die Charakteristiken jeder Schicht während der Ablagerung jeder
Schicht überwacht werden und Anpassungen der Prozeßvariablen vor
genommen werden, um die gewünschten Charakteristiken zu erhalten.
17. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei zumindest eines der Materialien Nb2O5 ist und die Prozeßsteu
ervariable die Durchflußrate von Sauerstoff ist.
18. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei zumindest eines der Materialien SiO2 ist und die Prozeßsteuerva
riable die Durchflußrate von Sauerstoff ist.
19. Verfahren zur Ablagerung einer komplexen mehrlagigen Beschich
tung auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schich
ten zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei das Verfahren die
folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
Plazieren des Substrats in einer reaktiven Ablagerungskammer;
sequentielles Ablagern der Schichten in der Ablagerungskammer und
Überwachen des Ablagerungsverfahrens und Steuern zumindest einer Prozeßvariable, um jede Schicht mit den gewünschten Charakteristiken zu versehen, wobei die Ablagerungsrate jeder Schicht während einer Anfangsperiode hoch und in einer Endperiode niedrig ist.
Plazieren des Substrats in einer reaktiven Ablagerungskammer;
sequentielles Ablagern der Schichten in der Ablagerungskammer und
Überwachen des Ablagerungsverfahrens und Steuern zumindest einer Prozeßvariable, um jede Schicht mit den gewünschten Charakteristiken zu versehen, wobei die Ablagerungsrate jeder Schicht während einer Anfangsperiode hoch und in einer Endperiode niedrig ist.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
wobei der Energiewert, der der Ablagerungskammer zugeführt wird, wäh
rend der Endperiode wesentlich reduziert wird, um die Ablagerungsrate
auf einen relativ niedrigen Wert abzusenken.
21. Verfahren nach Anspruch 19,
wobei die Charakteristiken jeder Schicht während des Ablagerungspro
zesses überwacht werden und Anpassungen der Prozeßsteuerung
durchgeführt werden, um eine Schicht zu erhalten, die die gewünschten
Charakteristiken aufweist.
22. Verfahren nach Anspruch 21,
wobei während der Ablagerung jeder Schicht der Ablagerungsprozeß
gestoppt wird, wenn die projektierten Charakteristiken erreicht worden
sind, die Charakteristiken der Schicht bestimmt werden, und ein weiteres
Sputtern mit niedriger Durchsatzrate soweit erforderlich durchgeführt
wird, um die gewünschten Charakteristiken zu erhalten, wenn die ermit
telten Charakteristiken nicht mit den gewünschten Charakteristiken
übereinstimmen.
23. Vorrichtung zur Ablagerung einer komplexen Mehrfachbeschichtung
auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten
zumindest zweier Materialtypteil besteht, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine Ablagerungskammer umfassend zumindest zwei Quellen von Mate rialien, die durch reaktive Ablagerung abgelagert werden sollen;
Mittel in der Kammer zum Messen einer optischen Eigenschaft der abge lagerten Schichten;
Mittel zum Anpassen theoretischer Werte, die von einem Modell der ab gelagerten Schichten abgeleitet wurden, an die entsprechenden aktuel len Werte, die aus der Messung der optischen Eigenschaft erhalten wur den; und
Mittel zum kontinuierlichen Steuern einer Prozeßvariable, um die Homo genität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine gültige Dickenbestimmung von dem theoretischen Modell durchgeführt werden kann.
eine Ablagerungskammer umfassend zumindest zwei Quellen von Mate rialien, die durch reaktive Ablagerung abgelagert werden sollen;
Mittel in der Kammer zum Messen einer optischen Eigenschaft der abge lagerten Schichten;
Mittel zum Anpassen theoretischer Werte, die von einem Modell der ab gelagerten Schichten abgeleitet wurden, an die entsprechenden aktuel len Werte, die aus der Messung der optischen Eigenschaft erhalten wur den; und
Mittel zum kontinuierlichen Steuern einer Prozeßvariable, um die Homo genität der abgelagerten Schichten sicherzustellen, so daß eine gültige Dickenbestimmung von dem theoretischen Modell durchgeführt werden kann.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23,
wobei das Steuermittel die Durchflußrate einer Reaktivgaskomponente
steuert.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23,
wobei das Steuermittel derart programmiert ist, daß die Durchflußrate
einer Reaktivgaskomponente gesteuert wird, um den Gesamtdruck in der
Kammer im wesentlichen konstant zu halten.
26. Vorrichtung nach Anspruch 23,
wobei das Reaktivgas Sauerstoff ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 23,
wobei die Kammer eine Sputterkammer ist und zumindest eine Quelle
eine Sputterquelle ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27,
wobei zumindest eine Sputterquelle eine Hochleistungssputterquelle ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 23,
wobei außerdem Mittel zum Steuern der Sputterrate vorgesehen sind.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29,
wobei diese weiterhin einen Speicher zum Abspeichern der Durchflußra
te des Gases am Ende jedes Ablagerungsabschnittes jeder Schicht auf
weist zur Verwendung zu Beginn des entsprechenden Abschnittes der
nächsten nachfolgenden Schicht des gleichen Materialtyps.
31. Vorrichtung zur Ablagerung einer komplexen Mehrfachbeschichtung
auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten
zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine Sputterkammer zum Aufnehmen des Substrats;
Mittel zum Überwachen des Sputterverfahrens und zum Steuern zumin dest einer Prozeßvariable in Echtzeit, um jede Schicht mit den ge wünschten Charakteristiken zu versehen; und
Mittel zum Einstellen zumindest einer Prozeßsteuervariable in Abhängig keit von gespeicherten Daten, um eine Schicht mit gewünschten Charak teristiken zu erhalten, wobei die Einstellmittel die zumindest eine Pro zeßvariable am Beginn jedes Ablagerungsabschnittes jeder Schicht ein stellen, mit Ausnahme der ersten Schicht ihres Materialtyps, um sie an den Wert der Prozeßvariablen am Ende das entsprechenden Ablage rungsabschnittes der vorherigen Schicht des gleichen Materialtyps an zupassen.
eine Sputterkammer zum Aufnehmen des Substrats;
Mittel zum Überwachen des Sputterverfahrens und zum Steuern zumin dest einer Prozeßvariable in Echtzeit, um jede Schicht mit den ge wünschten Charakteristiken zu versehen; und
Mittel zum Einstellen zumindest einer Prozeßsteuervariable in Abhängig keit von gespeicherten Daten, um eine Schicht mit gewünschten Charak teristiken zu erhalten, wobei die Einstellmittel die zumindest eine Pro zeßvariable am Beginn jedes Ablagerungsabschnittes jeder Schicht ein stellen, mit Ausnahme der ersten Schicht ihres Materialtyps, um sie an den Wert der Prozeßvariablen am Ende das entsprechenden Ablage rungsabschnittes der vorherigen Schicht des gleichen Materialtyps an zupassen.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31,
wobei die Prozeßsteuervariable die Durchflußrate einer reaktiven Kom
ponente der gesputterten Schicht ist, und wobei das Überwachungsmittel
diese Durchflußrate steuert, um einen gewünschten Druck in der Sput
terkammer aufrechtzuerhalten.
33. Vorrichtung nach Anspruch 31,
wobei jeder Ablagerungsabschnitt einem vorgegebenen Energiewert ent
spricht.
34. Vorrichtung zur Ablagerung einer komplexen Mehrfachbeschichtung
auf einem Substrat, wobei die Beschichtung aus mehreren Schichten
zumindest zweier Materialtypen besteht, wobei die Vorrichtung umfaßt:
Eine Sputterkammer zum Aufnehmen des Substrats;
Mittel zum Überwachen des Sputterverfahrens und zum Steuern zumin dest einer Prozeßvariable in Echtzeit, um jede Schicht mit den ge wünschten Charakteristiken zu versehen; und
Mittel zum Steuern der Ablagerungsrate jeder Schicht, wobei die Ablage rungssteuermittel derart programmiert sind, daß jede Schicht mit einer hohen Durchsatzrate während einer Anfangsperiode und mit einer nied rigen Durchsatzrate während einer Endperiode abgelagert werden.
Eine Sputterkammer zum Aufnehmen des Substrats;
Mittel zum Überwachen des Sputterverfahrens und zum Steuern zumin dest einer Prozeßvariable in Echtzeit, um jede Schicht mit den ge wünschten Charakteristiken zu versehen; und
Mittel zum Steuern der Ablagerungsrate jeder Schicht, wobei die Ablage rungssteuermittel derart programmiert sind, daß jede Schicht mit einer hohen Durchsatzrate während einer Anfangsperiode und mit einer nied rigen Durchsatzrate während einer Endperiode abgelagert werden.
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