CH665292A5

CH665292A5 - Laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches schichtoptisches bauelement und verfahren zu seiner herstellung.

Info

Publication number: CH665292A5
Application number: CH5031/84A
Authority: CH
Inventors: Erik Hacker; Hans Lauth; Helmut Bernitzki; Juergen Meyer; Reinhard Dohle; Reinhard Dr Wolf
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-10-21
Filing date: 1984-10-19
Publication date: 1988-04-29
Also published as: DE3430580C2; DE3430580A1; DD230651A3; SU1446580A1

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches schichtoptisches Bauelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Erfindung ist im optischen Gerätebau für oxidische schichtoptische Bauelemente, beispielsweise Spiegel, Filter oder

Strahlungsteiler u.a. sowie bei der Herstellung solcher Bauelement in Vakuumbeschichtungsanlagen anwendbar.

Darüber hinaus können das vorgeschlagene Bauelement und das Verfahren zu seiner Herstellung in allen anderen Bereichen der Technik eingesetzt werden, in denen die Vermeidung von Zerstörungen durch intensive Laserstrahlungen notwendig ist und dieser Forderung entsprechende Bauelemente benötigt werden, wie z.B. in der Optoelektronik, Mikroelektronik und auf dem Gebiet der integrieren Optik.

Die im Vergleich zu kompakten optischen Bauelementen bzw. deren Oberflächen sehr viel geringere Beständigkeit von optischen dünnen Schichten gegenüber intensiver Photonenbestrahlung stellt gegenwärtig einen wichtigen, die Energiefluenz von Laseranlagen begrenzenden, Faktor dar. Durch diesen Faktor werden die Apertur und damit die Kosten von Hochleistungslaseranlagen bestimmt.

Aufgrund ihrer hohen Gebrauchswerteigenschaften, wie mechanische und chemische Stabilität, werden gegenwärtig im Spektralbereich vom nahen UV bis zum nahen IR vorrangig Oxidschichten bzw. oxidische Schichtsysteme eingesetzt, so dass sich das Interesse an einer Verbesserung der Laserstrahlungsfestigkeit vor allem auf diesen Schichtsubstanzkreis bzw. die daraus gefertigten schichtoptischen Bauelemente bezieht.

Über die zur Erhöhung der Laserstrahlungsfestigkeit führenden physikalischen und chemischen Ursachen besteht noch weitestgehende Unklarheit bzw. existieren zum Teil gegensätzliche Auffassungen. Diesem Sachverhalt ist auch zuzurechnen, dass auf diesem Gebiet noch mit weitgehender Empirie gearbeitet wird und nur schwer reproduzierbare Ergebnisse erreicht werden können, was sich auch in der Fachliteratur, die dieser Problematik gewidmet ist, niederschlägt (H. E. Bennet et. al. Appi. Opt. 19 (1980) S. 2375). Der Fachwelt ist es bisher nur gelungen einige Teillösungen zu erarbeiten. Ein generelles Lösungsprinzip wird, bedingt durch fehlende theoretische Grundlagen, noch vermisst.

Eine erste Gruppe von Massnahmen zur Erhöhung der Laserstrahlungsfestigkeit ist allgemein bekannt und bezieht sich auf Änderungen des Schichtsystemaufbaus (Schichtdesign). Durch geeignete Änderungen der Schichtdicken werden die Maxima der Feldstärke der einfallenden Strahlung von der einzelnen Schichtgrenzflächen weg in das Innere der Schicht verlagert, da diese Grenzflächen erfahrungsgemäss die geringste Laserfestigkeit aufweisen. Dies hat aber systemtheoretisch notwendig einen nachteiligen Einfluss auf das Reflexions- bzw. Transmissionsvermögen und erfordert im weiteren hohen Aufwand bei der Schichtdickenkontrolle während des Herstellungsprozesses.

Weiterhin ist bekannt, dass zusätzliche niedrigbrechende Lambda/2-Schichten zu einer Verbesserung der Laserfestigkeit von herkömmlichen oxidischen Schichtsystemen führen (W. H. Lowdermilk et. al. Thin Solid Films 73 (1980), S. 155). Diese Lösung erfordert ebenfalls erhöhten Aufwand bei der Schichtherstellung und deren Kontrolle und ist nur von geringer Effektivität.

Eine zweite Gruppe von Massnahmen bezieht sich, gemäss der letztgenannten Literaturstelle, auf Verbesserungen der Reinheit des Schichtsubstanzen und der Sauberkeit der Substratoberfläche. Dies kann aber, aufgrund der geringen Rolle der Sauberkeit der Substratoberfläche bei vielen Dünnschichtbauelementen (z.B. Verspiegelungsbeläge) und der relativ niedrigen Wirksamkeit nur begleitende und nicht alleinige Massnahme sein. Nachteilig ist hier weiterhin der Aufwand für notwendige Vor- oder Nacharbeiten.

Mit den gleichen vorgenannten Nachteilen behaftet ist auch eine von D. Milam et. al. in Appi. Opt. 21 (1982), S. 3689 vorgeschlagene Methode:

Durch nachträgliches Tempern lassen sich Absorptions Verluste verringern und damit die Laserfestigkeit geringfügig erhöhen.

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Eine dritte Gruppé von Massnahmen bezieht sich auf eine Optimierung der Schichteigenschaften, wie beispielsweise Absorption, Schichtporosität, Brechzahl oder Langzeitstabilität, die in direktem oder indirektem Zusammenhang mit den Laserzerstörungsschwellen der optischen Dünnschichtbauelemente stehen. Solche Optimierungen werden aus ökonomischen und zweckmässigen Gründen hauptsächlich durch Variation von Depositionsparametern bei den zur Herstellung der Bauelemente in der Regel angewandten physikalischen Schichtdepositions-verfahren (Aufdampfen, Sputtern u.a.) durchgeführt. Dabei werden zumeist die fundamentalen Verfahrensbedingungen (Prozessparameter), insbesondere Substrattemperatur, Be-schichtungsrate und Partialdruck in der Vakuumkammer variiert.

So ist von S. H. Apfel in Thin Solid Films 73 (1980) S. 167 und C. K. Carniglia in Thin Solid Films 77 (1981), S. 225 eine inverse Korrelation zwischen Laserresistenz und Absorption festgestellt worden. Die Absorption kann wiederum durch den Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer beeinflusst werden. Der daraus ableitbare Weg zur Verbesserung der Laserresistenz von Oxidschichten durch Erhöhung des Sauarstoffpartial-drucks beim Aufdampfen ist jedoch nur nachgewiesenermassen bis zu bestimmten Grenzen gangbar. Einerseits gilt die Korrelation Laserresistenz/Sauerstoffpartialdruck nur für Absorptionwerte grösser 10"4 , d.h. für Schichten die den Verlustanforderungen an dielektrische optische Schichten kaum genügen. Andererseits haben solche hohen Sauerstoffpartialdrücke negative Auswirkungen auf eine Reihe weiterer Gebrauchswerteigenschaften (mechanische und chemische Stabilität, Schichtporosität u.a.). Untersuchungen hierzu finden sich in E. Ritter: J. Vac. Sei. u. Technol. 3 (1966) S. 225.

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines absorptionsfreien oxidischen schichtoptischen Bauelements mit hoher Laserstrahlungsfestigkeit sowie die Angabe eines ökonomischen und auf zusätzlichen technologischen Aufwand verzichtendes Herstellungsverfahren für derartige Bauelemente.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungsmöglichkeiten für eine unmittelbare Erhöhung der Laserstrahlungsresistenz der einzelnen Schichten selbst bereits während ihres Darstellungsprozesses zu finden. Die zu erarbeitende Lösung soll dabei insbesondere ökonomisch aufwendige Veränderungen des Schichtsystemaufbaus und/oder zusätzlichen technologischen Aufwand, hauptsächlich Vor- bzw. Nacharbeit, vermeiden und auf alle absorptionsfreien optischen Dünnschichtbauelemente anwendbar sein.

Die Aufgabe wird durch ein laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches schichtoptisches Bauelement bestehend aus mindestens einer, auf einem beliebigen Substrat angeordneten und mindestens ein Metalloxid enthaltenden Schicht dadurch gelöst, dass die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome um mindestens 2% grösser ist als die Anzahl an Sauerstoffatomen, die zur Einhaltung des stöchiometrischen Atomzahlverhältnisses Sauerstoff/Metall für die in der Schicht enthaltenen Metalloxidverbindung in ihrer jeweils höchsten Wertigkeitsstufe entsprechend notwendig ist.

Für Ta20s; Nb2Ü3 und SÌO2 als schichtbildende Metalloxidverbindung ergeben sich vorteilhafte Ausführungsformen, wenn der erfindungsgemässe Sauerstoffüberschuss 2% beträgt. Entsprechend gilt bei Ti02-Schichten ein Überschuss von 8% und bei Zr02-Schichten ein Überschuss von 5% als zweckmässig.

Die Lösung der Aufgabenstellung gelingt weiterhin mit einem Verfahren zur Herstellung laserstrahlungsfester absorptionsfreier oxidischer schichtoptischer Bauelemente mittels Vakuumbeschichten in einer Sauerstoff als Reaktionsgas enthaltenen Restgasatmosphäre, wobei unter an sich bekannten und variierbaren Verfahrensbedingungen durch Überführen einer Quellensubstanz in die Gasphase, einer chemischen Reaktion der Quellensubstanz in der Gasphase mit der Restgasatmosphäre und Abscheidung einer überwiegend aus den Reaktionsprodukten der Reaktion bestehenden Schicht auf einer beliebigen Substratunterlage, mindestens eine Schicht auf dieser Substratunterlage aufgebracht wird, die wenigstens ein Metalloxid enthält, dadurch, dass während der Überführung der Quellensubstanz in die Gasphase, der Reaktion der Quellensubstanz mit der Restgasatmosphäre und der Abscheidung der Schicht auf der Substratunterlage Verfahrensbedingungen vorhanden sind, die einen gezielten zusätzlichen Einbau von Sauerstoff in die Schicht um mindestens 2% grösser gewährleisten, als das zur Einhaltung einer vollständigen Stöchiometrie für die in der Schicht enthaltenen Metalloxidverbindungen in ihrer höchsten Wertigkeitsstufe notwendig ist.

Eine einfache, vorteilhafte Möglichkeit für den erfindungs-gemässen zusätzlichen Einbau von Sauerstoff in die Schicht ergibt sich, wenn der Einbau mittels Ionenimplantation nach der Abscheidung der Schicht auf der Substratunterlage erfolgt. Auch erweist es sich als zweckmässig, wenn der Sauerstoff in der Restgasatmosphäre in ionisierter Form enthalten ist.

Die nach dem im vorgenannten näher beschriebenen Verfahren hergestellten und mit den angegebenen erfindungsgemässen Schichteigenschaften versehenen schichtoptischen Bauelemente zeichnen sich durch eine bisher nicht erreichte Laserfestigkeit aus. Dabei werden Veränderungen im Schichtsystemaufbau vermieden, der Aufwand zur Herstellung und die Kosten für die Bauelemente sind nicht erhöht. Die vorstehend dargelegte erfindungsgemässe Lösung ist auf alle oxidischen schichtoptischen Bauelemente sowie bei deren Herstellungsverfahren anwendbar.

Die Erfindung soll anhand eines Beispiels näher erläutert werden:

Das laserstrahlungsfeste absorptionsfreie oxidische schichtoptische Bauelement besteht aus einer, auf einem Glassubstrat angeordneten, Schicht aus Ta20s. Die Zahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome ist um 2% grösser, als die Zahl der Sauerstoffatome, die zur Einhaltung des stöchiometrischen Atomzahlverhältnisses Sauertstoff/Tantal entsprechend notwendig ist.

Die Realisierung des erfindungsgemässen, zur Steigerung der Laserresistenz von Oxidschichten geforderten 2% über dem stöchiometrischen Verhältnis liegenden Sauerstoffgehaltes, unterliegt keinerlei Einschränkungen. Der Einbau kann mit Hilfe von allen bekannten technischen Mitteln und Massnahmen erfolgen, die zum Gaseinbau in dünne Schichten während und/oder nach der Schichtdarstellung führen. Besonders zweckmässig ist jedoch, den erforderlichen Sauerstoffeinbau bereits unmittelbar während der Schichtdarstellung mit den für optische Schichten gegenwärtig überlicherweise verwendeten physikalischen Schichtdepositionsverfahren (Aufdampfen, Sputtern usw.) durch die Wahl von geeigneten schichtdeposi-tionsbedingungen herbeizuführen.

Die Herstellung des schichtoptischen Bauelements mit der oben näher bezeichneten Ta20s-Schicht ist mit einem Verfahren möglich, das im folgenden ebenfalls näher erläutert werden soll. Bei diesem Verfahren ergeben die angegebenen Verfahrensbedingungen einen gezielten zusätzlichen Einbau von Sauerstoff in die Schicht um 2% grösser, als das zur Einhaltung einer vollständigen Stöchiometrie für die Ta205-Schicht notwendig ist.

In der Vakuumkammer einer Hochfrequenzplasma-Sputter-beschichtungsanlage befindet sich ein Target aus Tantal oder Tantaloxid als Quellensubstanz. Das Target befindet sich im direkten oder vermittelten Kontakt mit der Kathode, die mit einer hochfrequenten Spannung im Megaherzbereich belegt ist und diese um ca. 1 000 bis 4 000 V negativ gegenüber der auf Erdpotential liegenden Vakuumkammer der Sputteranlage macht. Die Anode der Sputteranlage befindet sich auf Erdpotential, kann aber auch um einige 10 V gegenüber dem Erdpotential negativ gemacht werden.

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In unmittelbarer kathodenseitiger Nähe der Anode befindet sich die Substratpalette auf die, in unmittelbarem Kontakt, ein Glassubstrat als Substratunterlage aufgesetzt ist. Es kann allerdings auch die Anode selbst als Substratpalette dienen. Es ist möglich, Einrichtungen zum Heizen oder Kühlen des Glassubstrats vorzusehen.

In die Vakuumkammer mündet eine mit regulierbarem Ventil versehene Leitung für die Zuführung des Sputtergases. Die Vakuumkammer wird von Beginn des Beschichtungsprozesses bis zu einem Druck der Restgasatmosphäre < 4 • 10-4 Pa evakuiert und danach ein Argon/Sauerstoff-Sputtergasgemisch bis zu einem Totaldruck von rund 2,6 Pa eingelassen. Der Sauerstoff dient als Reaktionsgas und kann gegebenenfalls ionisiert vorliegen bzw. im Verlaufe des Prozesses ionisiert werden.

Nach Einlass des Sputtergasgemisches wird durch Anlegen einer HF-Spannung von ca. 2 000 V zwischen Kathode und Anode eine Gasentladung mit einer Lesitungsdichte von ca. 3 bis 4 W/cm2 gezündet, die zur Überführung der Quellensubstanz in die Gasphase führt. Die abgestäubten Teilchen bzw. deren Reaktionsprodukte reagieren mit dem Sauerstoff in der Restgasatmosphäre und scheiden sich als dünne Schicht auf dem Glassubstrat ab, wobei in der Schicht überwiegend die Reaktionsprodukte vorhanden sind.

Als weitere Verfahrensbedingungen sind vorhanden: eine unter 200°C liegende, vorzugsweise Raumtemperatur betragen-s de, Substrattemperatur und ein Sauerstoffgehalt des Sputterge-misches, der ca. 60 bis 70% des Totaldruckes beträgt.

Die Einhaltung aller vorgenannten Verfahrensbedingungen gewährleistet den erfindungsgemäss erforderlichen Sauerstoff-überschuss.

io Diese Verfahrensbedingungen sollen aber nicht als Einschränkung auf die jeweils angegebenen Werte verstanden werden. Entscheidend ist die Tatsache, dass solche Verfahrensbedingungen gewählt werden, die den erfindungsgemäss geforderten Einbau von zusätzlichem Sauerstoff in die Schicht gewähr-i5 leisten. Hierbei ist es eben ohne weiteres möglich, wie an sich bekannt, Prozessparameter zu variieren oder gegebenenfalls andere Parameter zur Steuerung des Sauerstoffgehaltes heranzuziehen. Dieser Sachverhalt ist im übrigen auch bei der Übertragung der dargelegten Realisierungsmöglichkeit auf andere Be-20 schichtungsverfahren und Schichtsubstanzen zu berücksichtigen.

Claims

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1. Verfahren zur Herstellung laserstrahlungsfester absorptionsfreier oxidischer schichtoptischer Bauelemente mittels Vakuumbeschichten in einer Sauerstoff als Reaktionsgas enthaltenden Restgasatmosphäre wobei unter variierbaren Verfahrensbedingungen durch Überführen einer Quellensubstanz in die Gasphase, einer chemischen Reaktion der Quellensubstanz in der Gasphase mit der Restgasatmosphäre und Abscheidung einer überwiegend aus den Produkten der Reaktion bestehenden Schicht auf einer Substratunterlage, mindestens eine Schicht auf dieser Substratunterlage aufgebracht wird, die wenigstens ein Metalloxid enthält, gekennzeichnet dadurch, dass während der Überführung der Quellensubstanz in die Gasphase, der Reaktion mit der Restgasatmosphäre und der Abscheidung der Schicht auf der Substratunterlage Verfahrensbedingungen vorhanden sind, die einen gezielten zusätzlichen Einbau von Sauerstoff in die Schicht um mindestens 2% grösser gewährleisten, als das zur Einhaltung einer vollständigen Stöchio-metrie für die in der Schicht enthaltenen Metalloxidverbindung in ihrer höchsten Wertigkeitsstufe notwendig ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der gezielte zusätzliche Einbau von Sauerstoff mittels Ionenimplantation nach der Abscheidung der Schicht auf der Substratunterlage erfolgt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Sauerstoff in ionisierter Form in der Restgasatmosphäre enthalten ist.

4. Laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches schichtoptisches Bauelement, hergestellt mit dem Verfahren nach Anspruch 1, bestehend aus mindestens einer, auf einem beliebigen Substrat angeordneten und mindestens ein Metalloxid enthaltenden oxidischen Schicht, gekennzeichnet dadurch, dass die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome um mindestens 2% grösser ist als die Anzahl an Sauerstoffatomen, die zur Einhaltung des stöchiometrischen Atomzahlverhältnisses Sauerstoff/Metall für die in der Schicht enthaltenen Metalloxidverbindung in ihrer jeweils höchsten Wertigkeitsstufe entsprechend notwendig ist.

5. Laserstrahlungsfestes schichtoptisches Bauelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome bei einer Ta20s als Metalloxidverbindung enthaltenden Schicht um 2% grösser ist.

6. Laserstrahlungsfestes schichtoptisches Baulement nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome bei einer TÌO2 als Metalloxidverbindung enthaltenden Schicht um 8% grösser ist.

7. Laserstrahlungsfestes schichtoptisches Bauelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome bei einer Nb2C>3 als Metalloxidverbindung enthaltenden Schicht um 2% grösser ist.

8. Laserstrahlungsfestes schichtoptisches Bauelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome bei einer SÌO2 als Metalloxidverbindung enthaltenden Schicht um 2% grösser ist.

9. Laserstrahlungsfestes schichtoptisches Baulement nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome bei einer ZrC>2 als Metalloxidverbindung enthaltenden Schicht um 5% grösser ist.