Leybold Optics GmbH (Dr.H.Hagedorn)

Beschichtungsverfahren für die
Präzisionsoptik
H. Hagedorn
Alzenau

Historie: 1969
1969:
Leybold A500V
Chamber Size:
500mm Diameter
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Heute: 2006
CCS250
Chamber Size:
500mm
Diameter
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Beschichtungsverfahren für die Präzisionsoptik
PVD-Verfahren
AUFDAMPFEN (IAD, PIAD, IP)
MAGNETRONSPUTTERN (DC, MF, HF)
IONENSTRAHLSPUTTERN ( IBS, DIBS)
Sonstige Verfahren
PECVD / PICVD
SOL-GEL
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Substrate in der Präzisionsoptik
Größe:
Form:
1mm - 1000mm
konkav – plan - konvex
Leica DUV AT Microscope Objective
Material: Glas, Kristall, Kunststoff, Metall
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Beschichtungsmaterialien für die Präzisionsoptik
EUV
VUV
λ < 20nm
Si, Mo
λ < 200nm
SiO2, Al2O3, LaF 3 ,MgF 2
UV λ 200-400 nm
SiO 2 ,Al 2 O 3 ,HfO 2
VIS λ 400-1000 nm
SiO 2 ,TiO 2 , ITO,
MgF 2 , Si 3 N 4
Al, Ag
Telecom λ ≈ 1550 nm
SiO 2 , Ta 2 O 5
IR λ > 2µm
SiO,YbF3, Mo, Au, Ag,
Si, Ge, ZnS, ZnSe
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Beschichtungsverfahren für die Präzisionsoptik
Applications
Interferenzfilter
UV-IR Cut filters
Equipment
Low-loss HR and AR-coatings
Band pass filter
Chirped-mirrors
Polarisierende Strahlteiler
Schlüsseltechnologien
Plasma unterstützte
Beschichtungsverfahren
In-situ Schichtdickenkontrolle
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Herausforderungen
• Enge Toleranzen bei hohen Beschichtungsraten
• Enge Toleranzen auf großen Beschichtungsflächen
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Plasma und Ionenquellen
Ion current densities [a.u.]
155
145
135
125
115
105
95
Averaged Ion current densities
Index of refraction
0 1 2 3 4 5 6 7
Calotte position
• Performancebeschränkung: Variation der Ionenstromdichte
2,37
2,36
2,35
2,34
2,33
2,32
2,31
2,3
• Ratenbeschränkung:
Limitation des Gesamtionenstromes
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State of the Art: Beschichtungsrate
Shiftfreie Schichten auf
grossen Flächen
(16500 cm 2 )
• SiO 2
• TiO 2
0.75nm/s
0.6 nm/s
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Elektronenstrahlverdampfer
HPE 12 @ 1500mm
Abstand
• SiO 2
(Ringrille: 5 - 10µm)
• TiO 2
(20-Napf 5 - 10µm)
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State of the Art: Beschichtungsrate
Process Time
(SyrusPro 1510):
• 54 Layer Stack < 2h 45min
• 33 Layer Stack < 2h 10min
• 28 Layer Stack < 1h 45min
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State of the Art: Kaltlichtspiegel
100
Azimuthally distribution:
∆λ < 10nm @T 50%
54 Layer Stack
Pyrex : T critical > 500°C
Ceramic: T critical > 700°C
Ceramic: T critical > 800°C ??
90
80
70
Transmittance (%)
60
50
40
30
20
0°
60°
120°
180°
240°
300°
10
0
350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350
Wavelength (nm)
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UV Performance: HR-Mirror @ 193nm
PIAD Process für Oxide:
• Low index Material SiO 2
• High index Material Al 2 O 3
100
HR@193nm, AOI 0°
99
98
97
Reflectance [%]
96
95
94
93
92
91
90
190 192 194 196 198 200 202 204
Wavelength [%]
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UV Performance: HR-Mirror @ 193nm
Hochtemperaturprozess
@ T>400°C für Fluoride:
• Low index material MgF 2
• High index material LaF 3
Reflectance [%]
100
90
100
99
80
98
70
right scale left scale
97
60
96
50
95
40
94
30
93
20
92
10
91
0
90
185 187 189 191 193 195 197 199 201 203 205 207 209 211 213 215
wavelength [nm]
Reflectance [%]
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UV Performance: AR-Coating @ 248nm
In-Situ Monitoring: Schwingquarz
5
reflection [%]
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
230 240 250 260 270
wavelength [nm]
V-AR @ 248nm (H: HfO 2 L: SiO 2 )
8 nachfolgende Beschichtungen
Minimum Position: 248 +/- 3.5 nm
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UV Performance: AR-Coating @ 248nm
In-situ Monitoring: Optisches Monitoring
reflection [%]
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
230 235 240 245 250 255 260 265 270
wavelength [nm]
V-AR @ 248nm (H: HfO2 L: SiO2)
8 consecutive production runs
OMS 01
OMS 02
OMS 03
OMS 04
OMS 05
OMS 06
OMS 07
Minimum position: 248 +/- 1.5nm
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Schichtdickenkontrolle
Kombiwechsler für indirektes optisches Monitoring
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UV-IR Cut Filter: Indirektes Monitoring
PIAD: SyrusPro 1110 mit APSpro
Reproduzierbarkeit und Verteilung von 5 auf einander folgende
Beschichtungen
100
80
Transmittance [%]
60
40
20
0
350 450 550 650 750 850
Wavelength [nm]
Kantenlage < +- 0,8 %
(5 Substrate verteilt über 1m Kalotte)
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Schichtdickenkontrolle
Direktes optisches Monitoring auf der Kalotte
OMS 5000
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UV-IR Cut Filter: Direktes Monitoring
PIAD: SyrusPro 1110 mit APSpro
Reproduzierbarkeit und Verteilung von 5 auf einander folgende
Beschichtungen
100
80
Transmittance [%]
60
40
20
0
360 460 560 660 760 860
Wavelength [nm]
Verteilung @50% 3.9nm ( +- 0.3%)
(5 Substrate verteilt über 1m Kalotte)
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In-Situ Optical Monitoring
Anforderungen an das direkte Monitoring:
Hoher Dynamischer Messbereich
Herausragendes Signal-zu-Rausch Verhältnis
Synchronisationsmodul für intermittierende Messung
Monitorstrategie für Messung auf einem Substrat
Software Supports für automatischen Betrieb
Benefits des Direkten Monitoring
■ Steigerung von Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Yield
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In-Situ Optical Monitoring: Verteilung
Alle Substratpositionen einer Beschichtung
OMS on calotte, Batch 56
100
Transmittance [%]
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Verteilung
< ± 1,0 nm ( +-0,2%)
56-1
56-2
56-3
56-4
56-5
56-6
0
635 637 639 641 643 645 647 649 651 653 655
w avelength [nm]
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In-Situ Optical Monitoring: Reproduzierbarkeit
Verteilung einer Position (Nr. 4) über 5 Beschichtungen
OMS on Calotte, Pos. 4, 5 Runs
100
90
80
Reprduzierbakeit
< ± 0,7 nm (± 0,1%)
70
60
50
40
52-4
53-4
54-4
55-4
56-4
30
20
10
0
635 637 639 641 643 645 647 649 651 653 655
W aveleng t h [ nm ]
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In-Situ Optical Monitoring
5 nachfolgende Beschichtungen – alle Substratpositionen
Transmittance [%]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Spezifikation
OMS on calotte, 5 consecutive repro - batches
635 637 639 641 643 645 647 649 651 653 655
w avelength [nm]
Verteilung und
Reproduzierbarkeit
< ± 0,3 % (± 2 nm)
52-2
52-3
52-4
52-5
52-6
53-2
53-3
53-4
53-5
53-6
54-2
54-3
54-4
54-5
54-6
55-2
55-3
55-4
55-5
55-6
56-1
56-2
56-3
56-4
56-5
56-6
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Bandpass Filter: Direktes Optisches Monitoring
PIAD: SyrusPro 1110 mit APSpro
6-Cavity Filter with TiO 2
/SiO 2
(4 consecutive Runs)
0,00
Transmittance (dB)
-2,00
-4,00
-6,00
-8,00
-10,00
-12,00
3dB (50%) BW – 10,5 nm
10dB (10%) BW – 13,2 nm
CWL – 500,5 nm + 0,28 nm (0,055 %)
-14,00
-16,00
Monitorglass Run_120805
Monitorglass Run_170805
Monitorglass Run_180805
Monitorglass Run_190805
480 485 490 495 500 505 510 515 520
Wavelength (nm)
Transmission des Monitorglases
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Ausblick: PIAD/IAD
Beschichtungsraten für Shiftfreie Oxidsysteme
0,5 – 1 nm/s
Beschichtungsflächen für Genauigkeiten besser +- 0,5%
> 15 000 cm 2
Beschichtungsflächen für Genauigkeiten besser +- 0,1%
> 1 500 cm 2
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