Magnetron-Sputtern im Mikrowellen - Laseroptik GmbH Germany

Photonik
BESCHICHTUNGEN
Magnetron-Sputtern im Mikrowellenplasma
im Vergleich zu konventionellen
Aufdampfverfahren
032
Dielektrische Schichtsysteme für Laseranwendungen werden
überwiegend durch Aufdampfen mit Elektronenstrahlkanonen
im Hochvakuum hergestellt. Laserspiegel sollten dabei
möglichst geringe Absorptions- und Streuverluste haben, da optische
Verluste die Reflexion vermindern und die Zerstörschwelle bei
hohen Laserleistungen reduzieren. In zahlreichen Anwendungen
wird außerdem eine thermische Stabilität gefordert, die mit reaktiv
aufgedampften Oxidschichten und auch durch Ionenunterstützung
nicht erzielt werden kann. Dagegen entstehen mit dem Magnetron-
Sputtern in einem kalten Prozess kompakte Schichten mit optischen
und mechanischen Eigenschaften, wie sie von Festkörpern bekannt
sind. In diesem Artikel werden Reflexion, Brechzahlen, Bandbreiten
und thermische Drift von drei bei der LASEROPTIK eingesetzten Herstellungsverfahren
für optische Schichten verglichen:
● konventionelles reaktives Aufdampfen (Reactive Evaporation, RE),
● ionenunterstütztes Aufdampfen (Ion Assisted Deposition, IAD),
● Magnetron-Sputtern im Mikrowellenplasma (MSM).
1 Stand der Technik
Die wichtigsten Herstellungsparameter
für die einleitend genannten Herstellungsverfahren
sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Die markantesten Unterschiede ergeben
sich für die kinetische Energie, mit der
die Teilchen auf die Substratoberfläche
treffen. Während die aus Schiffchen oder
Elektronenstrahlkanonen verdampften
Substanzen mit thermischer Energie zwischen
0,1 und 0,3 eV auftreffen, werden
die Metallionen im Sputterprozess mit 2
Größenordnungen höherer Energie auf
die Oberflächen geschossen. Diese Energie
bewirkt einerseits die hohe Haftfestigkeit
und Packungsdichte der gesputterten
Schichten, andererseits reicht sie aus, um
selbst die sehr stabilen Metalloxid-Verbindungen zu zerstören. Die
dabei entstehenden Suboxide und Metalle erhöhen jedoch die Absorption,
reduzieren die Reflexion und führen bei herkömmlichen industriellen
Sputterverfahren zu niedrigen Zerstörschwellen.
Die geringe kinetische Energie, mit der herkömmliche Aufdampfverfahren
arbeiten, ist auch die Ursache für deren säulenartige
Schichtbildung. Mikrokristallite kondensieren vom Substrat aus in
Richtung der Verdampfungsquelle und bilden eine typische Säulenstruktur
[1] mit Packungsdichten um 90 %, die stark von den Aufdampfparametern
(Rate, Gasdruck, Substrattemperatur) abhängt.
Nach der Bedampfung füllen sich die Poren mit Wasser, das bei Erwärmung
zum Teil wieder aus den Schichten ausgetrieben wird. Die
Brechzahl der Schichten hängt von ihrem Wassergehalt ab, und die
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Martin und Johannes Ebert,
LASEROPTIK GmbH, Garbsen
Bild 1: Magnetron-Sputteranlage von Deposition Sciences Inc. mit
Mikrowellen-Plasmagenerator (Bildmitte) und Duomagnetron
(rechts) zur Herstellung optischer Oxidschichtsysteme.
Verfahren Abstand Gasdruck Teilchenenergie
Quelle-Substrat am Substrat
Reaktives Aufdampfen RE 45 cm 2×10 –4 mbar 0,1-0,3 eV
in BALZERS BAK 600
Ionenunterstütztes Aufd. IAD 45 cm 3×10 -4 mbar 0,1-0,3 eV
wie RE mit zusätzlicher
End-Hall-Ionenquelle Mark II 30 cm 80-120 eV
Magnetron-Sputtern MSM
im Mikrowellenplasma 7 cm 2×10 -3 mbar 10-20 eV
Tabelle 1: Herstellungsparameter
Charakteristika (Kantenlagen, Reflexion) verschieben sich mit der
Temperatur.
Durch Beschuss der Schichten mit Ionen (kinetische Energie ca. 100
eV) während des Bedampfens gelingt es im IAD-Prozess, die Säulenstruktur
weitgehend zu zerstören und die Porosität unter 3 % zu
drücken [2][3]. Das Verfahren eignet sich nicht für UV-Schichten, da
dort die Zerschlagung der Sauerstoffverbindungen zu Absorption
und Reflexionsverlusten führt, wie im Abschnitt 3.1 gezeigt wird.
2 Magnetron-Sputtern im Mikrowellenplasma
Im MicroDyn ® Sputterprozess von Deposition Sciences Inc. (DSI) [4]
wird durch das Einkoppeln eines sauerstoffreichen Mikrowellen-

plasmas die Absorption beseitigt.
In enger Zusammenarbeit von DSI
und LASEROPTIK GmbH ist eine
spezielle Sputteranlage für optische
Hochleistungsschichten entwickelt
worden.
Die Anlage besteht aus einem
achteckigen Edelstahlrezipienten
(Bild 1) mit 2 großen Türen, in die
je ein Duomagnetron und ein
Mikrowellengenerator (Bild 2)
eingebaut sind. Die Substrate rotieren
auf einer Trommel von
120 cm Durchmesser (Bild 3) an
Magnetron- und Mikrowellenplasmen
vorbei.
Von den Argonionen des Magnetronplasmas
wird zunächst eine
metallische Schicht (z.B. Ta, Al
oder Si) auf die Substrate gesputtert,
d. h. die mit ca. 20 eV auf die
Metallkathoden auftreffenden
Argonionen schlagen Metalle
heraus, die anschließend im Argon-Sauerstoffplasma
des Mikro- Bild 3: Anlage geöffnet, siehe auch Titelbild
wellenplasmas zu einem stöchio- dieses Heftes. Der Trommeldurchmesser bemetrischen
Metalloxid oxidiert trägt 120 cm, die nutzbare Höhe 25 cm.
werden. Das heißt, die Duomag- Durch die Kombination von Duomagnetrons
netrons arbeiten im metallischen mit Mikrowellen-Plasmageneratoren gelingt
Modus, der etwa fünffach höhe- die Herstellung optischer Hochleistungsre
Sputterraten zuläßt als der dieschichten mit glasartigen Eigenschaften.
lektrische Modus.
Obwohl Magnetronplasma und
Mikrowellenplasma getrennt erzeugt werden, fließen sie ineinander,
so dass ein Großteil des Raumes vor den Substraten von einem Argon-Sauerstoffplasma
erfüllt ist, das nicht nur für eine gute Oxidation
sorgt, sondern auch eine ergiebige Elektronenquelle ist, die aufkommende
Bogenentladungen an den Sputterkathoden unterdrückt.
An Stellen der Kathoden, die nicht dem Argonbeschuss ausgesetzt
sind, bilden sich ebenfalls Oxidschichten, deren Oberflächen
durch den Ionenbeschuss positiv aufgeladen werden, während die
Kathode selbst negativ in der Arbeitsphase ist. Ein elektrischer
Duomagnetron
mit Si-Kathoden
Turbo-
Pumpe
Tür
2 x 10 KW
Si Si
Mikrowelle 10 KW
10 KW Mikrowelle
Ta Ta
2 x 10 KW
Tür
Substrate
Duomagnetron
mit Ta-Kathoden
Bild 2: Sputteranlage schematisch. In die Türen des Rezipienten sind
Duomagnetrons und Mikrowellengeneratoren eingebaut. Die Magnetrons
arbeiten mit Rechteckpulsen um 40 kHz Folgefrequenz,
die Mikrowellen bei 2,45 GHz.
3 Experimentelle Ergebnisse
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Durchbruch dieser isolierenden Schichten kann
eine Bogenentladung auslösen. Die schnellen
Elektronen des Mikrowellenplasmas entladen jedoch
die Oxidschichten. Bogenentladungen waren
bislang ein Handicap für das effektive Sputtern
von optischen Schichten, denn die erzeugten
Spritzer führen zu hohen Streuverlusten und
niedrigen Zerstörschwellen.
Zur Bogenunterdrückung tragen auch die Duomagnetrons
bei, die mit einer Mittelfrequenz um
40 kHz betrieben werden. Bevor sich eine Bogenentladung
zwischen den Kathoden aufbauen
kann, wechselt die Polarität. Die Kombination von
Duomagnetron- und Mikrowellenplasma ermöglicht
somit hohe Sputterraten und ähnlich kurze
Chargenzeiten wie das konventionelle Aufdampfen.
Wegen der überragenden Schichtqualität erweist
sich diese Kombination als ideales Herstellungsverfahren
für optische Schichten.
Da die Mikrowellenentladungen für einen Überschuss
an aktivierten Ladungsträgern sorgen,
kann der Sputterprozess bei relativ niedrigem Gasdruck
ablaufen. Die Sputterraten sind dabei so stabil,
dass auf eine optische Schichtdickenmessung
verzichtet werden kann. Die Dicke der Schichten
ist direkt proportional zur Sputterzeit. Daher ist es
leicht möglich, dielektrische Schichtsysteme herzustellen,
die nicht aus reinen λ/4-Schichten bestehen.
Die optimierten Schichtdicken werden
vom Computer in das Prozesssteuerungssystem
eingelesen und vollautomatisch abgearbeitet. Die
Schichtdicken können dabei auf Bruchteile einer
Monolage genau bemessen werden.
Werte bei 193 nm RE IAD MSM
n von Al O 2 3 1,79 1,85 1,87
n von SiO2 1,53 1,55 1,56
Reflexion 96 % 90 % 94 %
Bandbreite (R > 80 %) 16 nm 14 nm 15 nm
Thermische Drift
25 °C-100 °C
-4 nm -1,5 nm +0,2 nm
Zerstörschwelle* 0,88 J/cm2 0,80 J/cm2 1,29 J/cm2 Tabelle 2: Eigenschaften von ArF-Umlenkspiegeln HR 193 nm, 45°
* Zerstörschwellen gemessen vom Laserlabor Göttingen
3.1 UV-Umlenkspiegel HR 193 nm, 45°
Um die Eigenschaften dielektrischer Schichtsysteme, die mit drei
unterschiedlichen Verfahren hergestellt wurden, vergleichen zu
können, wurde die kurze UV-Wellenlänge des ArF-Lasers 193 nm
ausgewählt, bei der Absorptionsverluste der Schichtmaterialien
Al 2 O 3 und SiO 2 bereits eine wesentliche Rolle spielen.
Aus den Reflexionskurven in Bild 4 können die unterschiedlichen
Bandbreiten und Reflexionen der drei Spiegel abgelesen werden. In
Tabelle 2 sind zusätzlich die Brechzahlen der Schichtmaterialien, die
thermische Drift bei Erwärmung von Zimmertemperatur auf 100 °C
und die Zerstörschwelle aufgelistet.
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Die höchste Reflexion wird mit dem konventionellen reaktiven Aufdampfen
(RE) erreicht: 96% bei 193 nm unter 45° für unpolarisiertes
Licht. Mit dem Magnetron-Sputtern werden 94 %, mit IAD nur
90 % erreicht, da der Ionenbeschuss zur Dissoziation der Schichtmaterialien
und damit zu Absorptionsverlusten führt.
Die Bandbreiten der Laserspiegel unterscheiden sich für die drei Herstellungsverfahren
nur unwesentlich. Entscheidend ist jedoch, dass
konventionell aufgedampfte Spiegel wegen ihrer starken thermischen
Drift eine sehr genaue Zentrierung für 193 nm brauchen,
während die gesputterten auch bei hoher thermischer Belastung
stabil bleiben.
Bild 4: Reflexionskurven unterschiedlich beschichteter ArF-Spiegel
aus Al 2 O 3 -SiO 2 , HR 193 nm, 45°, gemessen in unpolarisiertem Licht,
hergestellt mittels folgender Verfahren: RE konventionell durch reaktives
Aufdampfen, IAD durch Aufdampfen mit Ionenbeschuss,
MSM durch Magnetron-Sputtern.
3.2 YAG-Spiegel HR 1064 nm, 0°
YAG-Spiegel wurden zum Vergleich herangezogen, weil hier besonders
hohe Reflexionen und Zerstörschwellen gefordert werden.
Die inneren Spannungen der Schichtsysteme können die Substratoberflächen
infolge der relativ großen Gesamtdicke der hochreflektierenden
Systeme verformen. Die Messergebnisse von Ta 2 O 5 – SiO 2
Systemen sind in Bild 5 dargestellt und in Tabelle 3 zusammengefasst.
3.3 Kurzpassfilter hoher Kantensteilheit
Kurzpassfilter werden häufig als Pumpspiegel oder Farbteiler in leistungsstarken
Geräten eingesetzt, in denen sich die optischen Komponenten
deutlich erwärmen. Bild 6 zeigt die thermische Drift eines
konventionell aufgedampften Kantenfilters bei Erwärmung auf
Werte bei 1064 nm RE IAD MSM
n von Ta O 2 5 2,02 2,10 2,11
n von SiO2 1,44 1,45 1,45
Reflexion 99,85 % 99,81 % 99,85 %
Bandbreite (R > 8 0 %) 235 nm 250 nm 273 nm
Thermische Drift
25 °C-100 °C
-13 nm -6nm +0,3 nm
Tabelle 3: Eigenschaften von Nd:YAG-Spiegeln HR 1064 nm, 0°
36 Photonik 1/2002
100 °C. Durch die Erwärmung wird das in den porösen Schichten
enthaltene Wasser zum Teil ausgetrieben, Brechzahlen und damit
optische Dicken werden kleiner und die Schichtcharakteristika (z.B.
Kanten) verschieben sich zu kürzeren Wellenlängen. Die Drift des
gesputterten Filters dagegen ist geringer als die Liniendicke der Kurve
(0,3 nm), sie wird hauptsächlich durch die Wärmedehnung der
Schichten verursacht. Durch Ionenbeschuss mit der Mark II-Kanone
kann die thermische Drift auf die Hälfte der konventionell aufgedampften
Spiegel reduziert werden.
3.4 BBAR bzw. WWAR auf Fasern
Die voluminöse Trommel der verfügbaren MicroDyn ® -Anlage ist speziell
für die Unterbringung längerer Fasern eingerichtet worden. Insbesondere
eignet sich das kalte Sputterverfahren für die Beschichtung
von Fasern mit Kunststoff-Ummantelung. Wegen der ausgezeichneten
Haftung und der dichten Struktur sind diese Schichten
unempfindlich gegen Feuchtigkeit und mechanische Beanspruchungen.
Neben den Standard-Schwerpunkt-Entspiegelungen bietet LASER-
OPTIK zahlreiche Breitband-Antireflexschichten (BBAR) und Weitwinkel-Beschichtungen
(WWAR) an, die eine optimale Entspiegelung
über den typisch großen Winkelbereich der Fasern sichern.
Bild 5: Reflexionskurven von Nd:YAG-Spiegeln aus Ta 2 O 5 -SiO 2 , HR
1064, 0° (Verfahren wie in Bild 4).
Bild 6: Kurzpassfilter hoher Kantensteilheit. Die thermische Drift eines
konventionell hergestellten Kurzpassfilters beträgt 13 nm, die
des gesputterten ist kleiner als die Linienbreite.

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3.5 Monitorplatten
Thermisch stabile, nicht polarisierende Antireflexschichten werden
in der Lasertechnik eingesetzt, um einen konstanten Teil der Laserenergie
auszukoppeln, diesen zu messen und den Laser damit zu
stabilisieren. Diese Schichten werden ein- oder beidseitig auf dünne
Monitorplatten aufgebracht, die oft innerhalb des Resonators angeordnet
werden und nicht nur intensiver Laserstrahlung ausgesetzt
sind, sondern auch hoher thermischer Belastung. Die geringe thermische
Drift der MSM-Schichten sichert hier einen stabilen Laserbetrieb.
Reflexionskurven der nichtpolarisierenden AR-Schichten
sind in unserer Anzeige auf Seite 5 dargestellt.
3.6 Dünnschicht-Polarisatoren
Die mit dem Magnetron-Sputtern hergestellten Polarisatoren zeichnen
sich gegenüber den konventionell gefertigten durch Transmissionswerte
der P-Komponente von über 98 % und eine Bandbreite
von 40 nm um 1064 nm aus. Die hohe Transmission ist auf den homogenen
Schichtaufbau und absorptionsfreie Materialien zurückzuführen,
die Bandbreite auf die großen Brechzahlunterschiede, die
im Sputterbetrieb erreicht werden. Durch die hervorragende thermische
Stabilität der Schichten kann die Bandbreite auch voll genutzt
werden. Ein Transmissionsdiagramm steht in unserer Anzeige
auf Seite 5.
4 Zusammenfassung
In diesem Beitrag vergleichen wir die wichtigsten optischen und mechanischen
Eigenschaften von dielektrischen Schichtsystemen, die
mit drei unterschiedlichen Verfahren hergestellt wurden. Die Brechzahlen
der gesputterten Schichten liegen deutlich höher als die der
konventionell aufgedampften, da die Packungsdichte beim Sputtern
nahezu 100 % erreicht. Die Brechzahlen der mit Ionenunterstützung
hergestellten Schichten liegen dazwischen. Im Gegensatz
zu aufgedampften Schichten driften die Charakteristika der Sputterschichten
bei Erwärmung nicht, die Schichten sind morphologisch
vollkommen homogen aufgebaut, die Zerstörschwelle ist höher
als von herkömmlichen Schichten, die Kratzfestigkeit ist so gut
wie die von Glasoberflächen.
Literaturhinweise:
[1] Guenther, K.H.: Columnar and nodular growth of thin films,
Proc.346 (1982) 9-18
[2] Ebert, J.: Activated Reactive Evaporation, Proc.SPIE 325 (1982)
29-38
[3] Niederwald, H. u. a.: Ion-assisted deposition of oxide materials
at room temperature by use of different ion sources, Applied
Optics 38 (1999) 3610-3613
[4] Boling, N. u. a.: A High Rate Reactive Sputtering Process for
Batch, In-line, or Roll Coaters, Proc. 38 th Ann. Techn. Conf. Soc.
Vacuum Coaters (1995) 286-289
Ansprechpartner:
Martin Ebert
Dr. Johannes Ebert
LASEROPTIK GmbH
Gneisenaustr. 14
30826 Garbsen
Tel. 05131/4597-0
Fax 05131/4597-20
Martin Ebert Dr. Johannes Ebert
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