TW557375B - Optical substrate and method and apparatus for producing optical substrates - Google Patents

Description

557375 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） t發明所屬之技術領域】 發明領域 概略而言本發明係有關光學基板範疇及製造光學基板 5 之裝置及方法，特別係關於如申請專利範圍第1項之前言 部分說明之光學基板，如申請專利範圍第17項之前言部分 說明之製造光學基板之方法，以及施用光學層至基板俾進 行該方法之裝置。 Γ Jt 10 發明背景 光學4a说處理及發射技術在許多層面皆已引入，例如 用於洲際間纜線或幹線的高資料速率傳輸以及用於本地及 中範圍網路的高資料速率傳輸，而有光學裝置需求增加的 感覺，該光學裝置可影響及控制載有資訊的光的傳播。 15 光學信號處理及發射技術的主要基本組成為光學基板 ，光學基板通常係由經處理而帶有高表面品質的支持體組 成，支持體本身也稱作基板，❿當其用於傳輸時，對使用 的波長範圍具有最低的吸收可能。_或多層光學層其依據 應用用途而定，可由少數層單純減少反射至使用包含多於 20 -百層的系統之窄頻濾波器，光學層通常係施用至此種類 型基板。為了防止耗損，該等光學層係提供最低吸收可能 以及高表面品質伴以最少可能的散射中心。 用於製造干涉光學層，干涉光學層藉折射率變化造成 6 玖、發明說明 反射光及/或透射光的多束干涉，已知濺鍍方法例如APS方 法。但使用此種方法之缺點為由於材料於容器内直接濺鍍 會限制可能的蒸鍍速率，故於此種情況下常難以使用可形 成完全溶體的材料。此外，例如鈮等物種由於此種方法需 5要的低度真空，例如氧氣的反應對偶無法以足量供應，故 鈮等種類於施用層常未能以化學計量存在。因此需要極端 耗時的氧化還原步驟、加熱處理因而有損成本。但若不含 此等再度處理步驟，則剩餘的吸收令心常造成此等基板無 法利用。此外於光學多束干涉基板之例，例如aDWDM* 1〇板為例，APS方法的處理速率經常太慢，在一批次被處理 前以及可查驗其品質前經常耗用超過16小時。如此也讓將 製程最理想化的控制與修正過程變成極為耗時。 此外特別嚴重之缺點涉及高機械應力，其使用APS方 法藉層施用而於基本表面產生。為獲得經濟可行的良率， 15需要使用層厚度超過10毫米的基板，該基板於施用表面塗 層後需要於$側再度加工處理至最終厚度為1至2亳米為 止。不僅危及所加用的層糸統，同時也進一步造成干涉之 來源，例如基板表面間非期望的楔型夾角。雖然隨後公告 的PCT申請案PCT/EP 00/06518提議使用電漿感應CVD 20方法來構成干涉光學層系統，但未曾指示有關可使用的材 料以及有關結果獲得的機械及吸溼性質。 I：發明内容3 發明概要 7 557375 玖、發明說明 因此本發明之一目的係讓光學基板的製造變成較不耗 時’此等基板較佳具有顯著較低的表面應變。此外希望可 製造一種於整個方法程序中皆具有實質上最終尺寸的基板 俾棑除對層系統的初步損害以及額外干涉來源。進一步希 5望使用具有高折射率材料例如鈮以及相關Nb205的結合於 光學層俾提昇光學層設計以及光學基板的濾波作用效果。 出乎意外地使用如申請專利範圍第1項之特色之光學 基板、具有如申請專利範圍第17項之特色之製法以及具有 如申請專利範圍第33項之製造裝置可以一簡單的方式達成 10 該項目的。 極為出乎意外地，發明人發現於基板光學層存在有齒 素原子或ii素化合物可顯著導致表面應力較低。雖言如此 至目則為止仍視攙混鹵素原子或齒素化合物為高度非所欲 ’原因在於鹵素層或鹵素化合物層傾向於出現吸溼性質， 15由於液體的積聚而變成較不耐用。此外推定此等化合物的 積聚，於水與其他吸收頻帶的貢獻有關之案例尤對於光學 基板極為不利。 但本發明證實_素原子或_素化合物只要保持低於某 種限度則高度有利。推定於該層施用期間，鹵素基團可確 20保與施用於基板表面上或施用於已經施用在基板的多層上 的種類之活動性增加’而其效果為沉積的種類於已經撞擊 表面之後仍然移動至能階有利點。如此表示其可能相對於 欲施用層遷移至可於表面上產生較少應力或應變的區域。 8 557375 玫、發明說明 此外比較光學層具有較高光學密度，只要有某種比例 的鹵素原子或化合物存在即可，存在有齒素原子或化合物 由於表面遷移的增加，故促成剩餘空位被欲施用的種類佔 據的情況較佳。 5 較佳地，齒素原子或自素化合物中的_素，在施用於 基板該層的比例不超過5重量％ ，其係以該層材料表示， 特佳地此種比例係低於1重量％ 。藉此方式已經施用至光 學多層干涉基板的干涉層具有極低機械應變，因此實質不 含應變感應雙折射’同時具有良好均勻度及高光學密度且 10 帶有較低吸收。 組及銳較佳分別係以ΝΙ>2〇5及Ta2〇5之化學計量氧化物 比來沉積，被發現為欲蒸鍍種類的高度有利的對偶。 以鈮為例，可於層系統產生高折射指數以及高折射指 數變化，此特點用於層設計上為極佳。由於前述優勢故可 15迅速製造光學多重干涉基板，以及具有高光學品質可用於 光學切斷濾波器、帶通濾波器、增益平坦化渡波器以及 WDM(波長劃分多工器）濾波器，特別*DWDM(緻密波長 劃分多工器）濾波器。 至於此類型光學基板之製造方法，較佳使用電漿輔助 20 PACVD(電漿輔助化學氣相沉積）方法，該方法之特佳具體 實施例為PECVD(電漿加強式化學氣相沉積）方法，以及於 最佳具體實施例電聚脈衝CVD方法其中使用含函素化合物 的前驅氣體。 9 557375 玖、發明說明 本例中，較佳方法參數為壓力0.05至10毫巴，基板溫 度約100至600°c，NbCl5於前驅氣體濃度為0.1至50% ， HMDS(六-二曱基二矽氧烷）於前驅氣體濃度為0.1至50% ， 平均微波功率為〇.〇1至20仟瓦，以及氣體流速為50至 5 10000 seem 〇 一組特佳方法參數包含壓力0.01至1毫巴，基板溫度約 150至300°C，NbCl5於前驅氣體濃度0.2至5% ，HMDSO( 六-二甲基二矽氧烷）於前驅氣體濃度為0·25至15% ，平均 微波功率0.1至5仟瓦，以及氣體流速為100至2000 seem。 10 最佳進行該方法之具體實施例係於壓力約0.2毫巴± 10 % ，基板溫度約200°C± 10% ，NbCl5於前驅氣體濃度2% ±10% ，HMDSO(六-二曱基二矽氧烷）於前驅氣體濃度為3 % ± 10% ，平均微波功率約0.5仟瓦± 10% ，以及氣體流速 約 500 sccm± 10% 。 15 使用前述參數集合，可將APS方法之關聯處理速率由 16小時降至小於1.5小時之PICVD方法，故可更快速的控制 以及可伴隨廢棄物的減少。 此外，該沉積係特佳地於大體上具有最終格式厚度的 基板直接進行。層厚度的唯一變化涉及由於光學基板沉積 20 造成厚度的增厚。此等基板具有隨後使用所欲的楔型角， 且大體上不含額外機械擾動。 使用PICVD方法之&更重要優勢，特別是方法的再現 性，該PICVD方法係提供適當的前驅氣體，免除於製造過 10 557375 玖、發明說明 程中需開啟容器，例如於APS方法中開啟容器用於填 變更目標材料。 ~ 圖式簡單說明 第1圖顯示PECVD裝置帶有主要模組之示意代表圖， 5 帛2圖顯示此種裝置於容器區以及微波產生器之細節 圖， 第3圖顯示容器之側視圖，以及 第4圖顯示容器内侧微波電漿之空間配置之前視圖， 第5圖顯示具有多層干涉光學層之光學基板之剖面代 10 表圖。 【實施方式3 較佳實施例之詳細說明 施用光學層裝置之較佳具體實施例首先說明如後，參 照第1圖，第1圖係本裝置主要模組之代表圖。 15 根據本發明之裝置包含一種呈可減壓腔室1形式之容 器，其内側設置有基板挾持器2 ’該基板挾持器可透過光 學基板3背側挾持光學基板3，光學基板3之進一步細節顯 示於第5圖之剖面圖。 進氣口 5連同關聯的管線系統形成處理氣體供應裝置 20 ，容器1經由進氣口 5連接至高溫（HAT)氣體產生器6，而 其又由低溫（LT)氣體產生器7進給，藉此方式對容器1供給 處理之前驅氣體。 進一步，容器1經由出氣口 8及管線系統（形成排放處 557375 玖、發明說明 理氣體的排放裝置）連通至幫浦座9，幫浦座包含初步及主 要真空幫浦，因此即使於供給前置氣體或沖洗氣體時仍可 穩定且可調節方式維持容器1的壓力於〇·〇5至1〇毫巴。 幫浦座9包含多個路尺幫浦（R00ts puinps)或其他可產 5 生對應真空的適當幫浦系統。 由容器1泵送出的氣體藉幫浦座9送至滌氣器俾減少環 境污染。 經由以壓力緊密設置於容器1殼體的窗，監示债測器 10以及監示光源11 (構成光學監示裝置）連接至容器1，由監 10示光源11發射的光透射通過光學基板3、及基板挾持器2開 口 12 ’到達監示偵測器1 〇，監示偵測器1 〇使用單色光且有 層漸進於基板3上生長，可偵測透射光強度變化，因而可 控制層厚度的增加。 後文參照第2圖，該圖顯示於容器1該區及微波產生器 15 之細節，以及說明基板加熱器12形成基板挾持器12的部分 或設置於其上，藉此可控制基板溫度，較佳於約1〇〇至6〇〇 °C範圍，且可調整而穩定至於此間隔範圍的數值。 兩個微波源13、14分別設置於基板挾持器2旁，各個 微波源各自產生其本身的微波場而部分投射於容器1，如 20第4圖之示意前視圖說明以線15及16將微波場劃出界限。 此等線實質上說明微波場的場減小至某個數值，依據其他 方法參數而定，電漿感應反映未曾預期可低於該數值。為 了將微波能進給可減壓腔室1，儘管如此可減壓腔室1具有 557375 玖、發明說明 橫微波透射窗17、18。第3圖之側視圖顯示左側微波窗17 相關於進氣口 5的進器口喷嘴19以及相對於基板挾持器2及 光學基板3的位置。 後文將藉助於較佳方法程序說明光學基板3的製造。 5 光學基板4大體上具有隨後的操作厚度，光學基板4首 先固定至基板挾持器2。開始基板通常為玻璃或石英玻璃 組成的基體20，對該基體循序施用光學層系統的光學層21 至29 〇 塗覆的基板表面較佳具有殘餘不規則度或粗度，以粗 10度深度表示，係小於隨後使用的輻射波長，換言之較佳小 於1·5或1.0微米。此種粗度深度特佳地為小於波長的1/1〇 及1/20，因而小於〇·ΐ5及〇·〇75微米。也可使用更小的粗度 深度，而仍可獲得就散射行為以及施用層品質的優勢。 依據層的設計而定，鄰近各層分別有不同的折射率， 15俾藉此獲得波前之經界定的相位位移以及於折射率變遷時 經界定的反射。 基板3已經扣接至基板挾持器2後，容器抽真空，然後 將處理氣體施用至基板。根據本發明，使用含_化物處理 氣體且較佳地為HMDSO(六-二曱基二矽氧烷）作為前驅氣 20體，其濃度為0.1至50% ，較佳地自0.25至15% ，及於最佳 具體實施例約3% ± 10%之濃度。 結果於供給處理氣體後，微波可點火電漿形成於可減 魘腔至1，該電漿藉由微波場持續時間以及反應處理氣體 557375 玖、發明說明 供給量，界定於基體20上的沉積以及層21至29的形成量。 當NbCl5用作為前驅氣體時，可使用0.1至50%濃度之 NbCl5，但以0.2至5%濃度及2% ± 10%濃度為佳。 注入可減壓腔室1之微波功率具有一可用平均功率 5 〇·〇1至20仟瓦，於較佳具體實施例為0.1至5仟瓦，但於最 佳具體實施例微波功率約為0.5仟瓦± 10%。 前驅氣體流速可調整至50至10,000 seem範圍，及於較 佳地方法形式為於100至2000 seem，但於最佳具體實施例 為 500 sccm± 10% 。 10 另外可使用氟、溴及/或碘或此等鹵素替代氣，以相 對定量比混合物於前驅氣體。 但於此種情況下，方法參數經調整為齒素原子比例或 鹵素化合物之鹵素比例當施用於基板20之層21至29中之一 層時不大於5重量％ ’於特佳地具體實施例不大於1重量％ 15 〇 可使用鈕替代鈮。此外用於不同層也可根據對應層設 計而分別第一層使用鈮及第二層使用鈕，故鈮氧化物 Nb2〇5及鈕氧化物Ta2〇5分別形成於此層，較佳以化學計量 比形成，具有相對低吸收極少數散射中心。 20 經由適當選擇層21至29的層設計，層數於第5圖指示 為9層僅供舉例說明之用，可製造截斷濾波器、帶通濾波 器、增益平坦化濾波器及WDM(波長劃分多工器）及特別 DWDM(緻密波長劃分多工器）濾波器，具有用作為光學基 557375 玖、發明說明 板的高光學品質。 雖然已經藉助於電漿感應CVD方法說明本發明，但本 發明並非囿限於此，較佳係使用電漿輔助PACVD(電漿輔 助化學氣相沉積）方法以及PECVD(電漿加強式化學氣相沉 5 積）方法進行。 此外推定攙混已經被確認為有利，鹵素原子或鹵素化 合物並未囿限於前文呈現的化學沉積方法，有可建立用於 其他施用方法。 I：圖式簡單說明3 10 第1圖顯示PECVD裝置帶有主要模組之示意代表圖， 第2圖顯示此種裝置於容器區以及微波產生器之細節 圖， 第3圖顯示容器之側視圖，以及 第4圖顯示容器内側微波電漿之空間配置之前視圖， 15 第5圖顯示具有多層干涉光學層之光學基板之剖面代 表圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 1,，.可減壓腔室 13 ’ 14...微波源 3.. .光學基板 17，18…微波窗 5.. .進氣口 20...基體 7.. .低溫氣體產生器 2...基板夾持器 9···幫浦座 4···背側 11...監視光源 6...高溫氣體產生器 557375 玖、發明說明 8...出氣口 10…監視偵測器 12.·.開口 15，16…線 19…喷嘴 21-29...光學層

Claims (1)

1. 557375 拾、申請專利範圍 光透射通過干涉層的相位前速度。 10·如申請專利範圍第1項之光學基板，其進一步特徵為一 層包含鈮化合物及鹵素原子或鹵素化合物。 11·如申請專利範圍第i項之光學基板，其進一步特徵為一 5 層包含鈕化合物及鹵素原子或齒素化合物。 12·如申請專利範圍第1項之光學基板，其特徵在於多層排 列於基板上，其分別具有與至少一層鄰近層不同的折 射率。 13·如申請專利範圍第12項之光學基板，其特徵在於該光 10 學基板為多重干涉濾波器，該濾波器係用作為透射光 及/或反射光截斷濾波器。 14·如申請專利範圍第12項之光學基板，其特徵在於該光 學基板為多重干涉濾波器，其係用作為透射光及/或反 射光帶通濾、波器。 15 15·如申請專利範圍第12項之光學基板，其特徵在於該光 學基板為多重干涉濾波器，其係用作為增益平坦化濾 波器。 16·如申請專利範圍第丨項之光學基板，其特徵在於該光學 基板為WDM(波長劃分多工器）濾波器，DWDM(緻密波 2〇 長劃分多工器）濾波器。 17· —種製造光學基板之方法，該方法包含施用一層至一 片基板’其特徵在於該層包含_素原子或齒素化合物 〇 18.如申請專利範圍第π項之製造光學基板之方法，其特 557375 拾、申請專利範匱 徵在於包含_素原子或鹵素化合物分別選自氣、氟、 溴及碘組成的族群之齒素。 19·如申請專利範圍第17項之製造光學基板之方法，其特 徵在於_素原子或_素化合物之鹵素施用於基板該層 5 的比例’以該層材料表示為不超過5%重量比。 20·如申請專利範圍第17項之製造光學基板之方法，其特 徵在於i素原子或_素化合物之_素施用於基板該層 的比例’以該層材料表示為不超過1%重量比。 21. 如申請專利範圍第17項之製造光學基板之方法，包含 10 施用一層含鈮化合物至基板。 22. 如申請專利範圍第21項之製造光學基板之方法，其特 徵在於該鈮化合物為鈮氧化物，較佳Nth其係排列成 干涉層，藉此影響光透射透過干涉層的光相位前速度 〇 15 23·如申請專利範圍第17項之製造光學基板之方法，其包 含施用一層含叙化合物層。 24. 如申請專利範圍第23項之製造光學基板之方法，其特 徵在於該鈕化合物為鈕氧化物，較佳㈣其係排列成 干涉層，藉此影響光透射透過干涉層的光相位前速产 ί0 。 、又 25. 如申請專利範圍第17項之製造光學基板之方法，其進 一步特徵為施用一層，該層包含鈮化合物及鹵素原子 或自素化合物。 26. 如申請專利範圍第17項之製造光學基板之方法，其進 19 557375 拾、申請專利範圍 一步特徵為一層，該層包含鈕化合物及鹵素原子或鹵 素化合物。 27·如申請專利範圍第17項之製造光學基板之方法，其特 徵在於多層排列於基板上，各層分別具有於至少鄰近 5 —層不同的折射率。 28·如申請專利範圍第17項之方法，其特徵在於該方法為 PACVD(電漿輔助化學氣相沉積）方法。 29·如申請專利範圍第17項之方法，其特徵在於該方法為 PECVD(電漿加強式化學氣相沉積）方法，特別電聚脈 10 衝CVD方法，其中使用含鹵素化合物之前驅氣體。 30.如申請專利範圍第27、28或29項之方法，其特徵在於 «玄方法係於壓力〇·〇5至10毫巴，基板溫度i〇Q至$⑻。c， NbCl5占前驅氣體濃度〇·ι至50% ，HMDS(六·二甲基二 矽氧烷）占前驅氣體濃度0.1至50% ，平均微波功率〇〇1 15 至20千瓦以及氣體流速50至10,000 sccm進行。 31·如申請專利範圍第27、28或29項之方法，其特徵在於 該方法係於壓力0.01至1毫巴，基板溫度15〇至3〇〇。(^， NbCl5占前驅氣體濃度0.2至5% ，HMDSO(六-二甲基二 矽氧烷）占前驅氣體濃度0.25至15% ，平均微波功率〇1 2〇 至5千瓦以及氣體流速100至2,000 seem進行。 32·如申請專利範圍第27、28或29項之方法，其特徵在於 該方法係於壓力約0.2毫巴± 10% ，基板溫度200°C + 1〇 % ，NbCl5占前驅氣體濃度2% ± 10% ，HMDSO(六-二 甲基二石夕氧烧）占前驅氣體濃度3 ± 10% ，平均微波功率 20 557375 拾、申請專利範圍 〇·5千瓦± 10%以及氣體流速5〇〇 sccm± 10%進行。 33. —種施用光學層至基板之裝置，特別係用於製造如申 請專利範圍第1項之光學基板，以及用於進行如申請專 利範圍第17至32項中任一項之方法，該裝置包含·· 5 一個可減壓腔室（1)， 一個設置於可減壓腔室（1)内部的基板夾持器（2)， 一個供給處理氣體之供給裝置（5)，特別供給進行 化學沉積製程用前驅氣體， 一個微波產生裝置（13，14)，藉此至少一部份可減 10 壓腔室（1)產生微波場，以及 一個排放裝置（8)，用以排放處理氣體。 34.如申請專利範圍第33項之裝置，其特徵在於該裝置為 PICVD裝置，其中於可減壓腔室（1)内部處理氣體的反 應受時間控制微波場影響。 15 35.如申請專利範圍第33項之裝置，其進一步特徵為光學 監示器裝置（10，11，12)，藉此監示基板（3)上層的生長。 36·如申請專利範圍第33項之裝置，其進一步特徵為襄置 (6,12)，該等裝置用於控制處理氣體及基板夾持器以及基 板溫度。 21 ；iiit1補充 公 / r

   55737: (塡寫本書件時請先行詳閱申請書後之申請須知，作※記號部分請勿塡％)

   ※由諸蓉號：十UiM 分類：__ ※申請曰期：A - ^ ^ ---壹、發明名稱 (中文）用於製浩光學某板之光學基板以及其製造方法和裝置 (英文）OPTICAL SUBSTRATE AND METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING OPTICAL SUBSTRATES_ 贰、發明人（共人）..... 發明人1 (如發明人超過-人，請塡說明書發明人續頁） 姓名‘·(中文）盧茲·卡理皮___ (英文）KLIPPRLUTZ_ ' 住居所地址：(中文）德國威斯巴登·葛貝爾斯伯恩街48號_ (英文）Gabelsbornstrafie 48, 65187 Wiesbaden, Germany__ 國籍··(中文）德國_(英文）Germany__ 參、申請人(共1人) 申請人j_ (如申請人超過一人，請塡說明書申請人續頁） 姓名或名稱：(中文）德商·史歐特玻璃公司_— (英文）SCHOTT GLAS__ 住居所或營業所地址：(中文）德國馬因茲♦晗登山街10號__ (英文）Hattenbergstr· 10, 55122 Mainz, Germany 國籍：Li文德國 _(英文）Germany 代表人：(_中文）亞姆爾艾恩&德m羅特_ (英文）AMRHEIN & DEGROOT_ Ο續發明人或申請人續頁（發明人或申請人欄位不敷使用時，請註記並使用續頁) 補充 拾、申請專利範圍 I 一種光學基板，包含一片基板於其上設置一或多層， 藉此影響光的傳佈，其特徵在於其中至少一層包含鹵 素原子或il素化合物。 2·如申請專利範圍第1項之光學基板，其特徵在於該函素 原子或自素化合物包含分別選自氣、氟、溴及碘以及 氯、氟、溴及碘混合物組成的族群之_素。 3·如申請專利範圍第1項之光學基板，其特徵在於該齒素 原子或_素化合物之_素於施用治至基板該層的比例 ’該層材料表示不超過5%重量比。 4·如申請專利範圍第1項之光學基板，其特徵在於該鹵素 原子或齒素化合物之_素於施用治至基板該層的比例 ’該層材料表示不超過1%重量比。 5·如申請專利範圍第1項之光學基板，其特徵在於齒素原 子或i素化合物係排列成干涉層，藉此影響光透射通 過的相位前速度。 6· —種光學基板，特別如申請專利範圍第1項之光學基板 ，其包含一層含鈮化合物層。 7·如前述申請專利範圍第丨項之光學基板，其特徵在於鈮 化合物為銳氧化物，較佳Nb205其排列於干涉層，藉此 影響光透射通過干涉層的相位前速度。 8· —種光學基板’特別如申請專利範圍第1項之光學基板 ，其包含一層含鈕化合物層。 9·如申請專利範圍第8項之光學基板，其特徵在於鉅化合 物為钽氧化物，較佳Ta2〇5其排列於干涉層，藉此影響