WO2004026787A1 - Verfahren zur herstellung von schichten und schichtsystemen sowie beschichtetes substrat - Google Patents

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Lars Bewig
Frank Koppe
Thomas Küpper
Stefan Geisler
Stefan Bauer
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Schott Ag
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    • Y10T428/12611—Oxide-containing component

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a layer system with high-quality optical properties and / or high surface smoothness as well as coated substrates with high-quality optical properties and / or high surface smoothness.
  • optical layers for producing optical components such as mirrors or reflectors have long been known.
  • the optical layers have a wide variety of functions with regard to their effect on the radiation within a certain range of the electromagnetic spectrum.
  • optical layer systems which are composed of a plurality of individual functional layers, in particular of alternatingly arranged high and low refractive index layers, have also been known for a large number of applications for years.
  • the layer systems often act as Light interference film, the optical properties of which are determined by the choice of material for the high and low refractive index layers and thus the corresponding refractive indices, by the arrangement of the individual layers and by the choice of the individual layer thicknesses.
  • the selection is made essentially using known optical design rules and design aids in accordance with the desired optical properties and processability.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • CVD processes are used to produce layers of refractory and other metals, carbides, nitrides and oxides.
  • the advantage that many materials with almost theoretical density and good adhesive strength can be applied uniformly and with high purity is offset by the disadvantage that suitable reactions do not exist for every desired layer material, the substrate withstands the usually high reaction temperature and the reactant chemically must be stable.
  • the pressures required during the reaction are 10 to 100 Pa, so that the free path length of the particles is relatively small and the coating rates are not optimal for industrial processes.
  • the PVD processes in particular sputtering processes
  • the PVD processes are distinguished today by the fact that a variety of coatable substrate materials is possible, that there is one Almost unlimited choice of coating materials means that the choice of substrate temperature is free, that the layer adhesion is excellent • and that the microstructure of the layers can be easily influenced by the choice of process parameters.
  • the disadvantages of the originally developed sputtering processes have largely been remedied by diverse developments, so that sputtering technology is today one of the most universal and widely used coating processes.
  • magnetron sputter sources have proven the magnetron sputtering processes to be particularly suitable for industrial coating processes.
  • the magnetron sputtering process enables high coating rates in the low pressure range (up to below 0.1 lPa) with low substrate heating.
  • a sputtering device By means of a sputtering device, as described for example in DE 41 06 770, substrates are coated using cathode sputtering, preferably by magnetron cathode sputtering. So-called targets made of the layer starting material are exposed to the action of a plasma cloud forming between two electrodes, the target simultaneously forming the cathode. The atomized target material has an affinity for the reactive gas and, forming a chemical compound with it, is deposited as a layer on the substrate.
  • EP 0 516 436 B1 describes a magnetron sputtering system for coating a substrate with one or more layers. The special shape of the system contributes to a more efficient sputtering process. For this purpose, the system has a vacuum chamber in which there is a drum-shaped substrate holder and on the walls of the vacuum chamber there are targets made of the layer starting materials, the targets being arranged on magnetrons.
  • Vacuum chamber to be taken and the thickness of the layer is easy to influence.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for coating substrates with which layers and layer systems are applied which have a high optical quality and / or a high level
  • the method according to the invention comprises coating a substrate with at least one
  • Functional layer the provision of a substrate in a vacuum system and the provision of the layer starting material in this vacuum system and the coating of the substrate by means of sputtering the layer starting material, in which the sputtering process for coating the substrate with the functional layer is interrupted at least once, one in relation to the functional layer very thin, different from the functional layer intermediate layer is applied, which remains below a thickness of 20 nm.
  • Such processes are referred to as sputtering, in which the layer starting materials, which are present in solid form as a target, are exposed to the bombardment of ions, so that atoms, atom clusters or molecules of the target are emitted and thus the layer starting material is atomized.
  • the functional layers mentioned below can be optically effective (ie they have a function with regard to their effect on the radiation within a certain range of the electromagnetic spectrum) individual layers of a coating.
  • the coating can consist of only one functional layer as well as of several functional layers, for example an interference layer system made of high and low refractive index functional layers.
  • the method described here for coating a substrate with at least one functional layer advantageously does not influence the construction of known systems or the known sputtering processes as such, but rather specifies a new process sequence for the production of functional layers, as a result of which their quality can be significantly improved. For this purpose, no changes need to be carried out on plants known per se, but only the process sequence according to the method according to the invention has to be reorganized using means known per se.
  • the process is not limited to certain sputtering systems, but can be applied to any type of system that enables the sputtering of layer starting materials.
  • Magnetron sputtering has proven to be particularly advantageous, since higher sputtering rates can be achieved than with other sputtering methods, and there is therefore an economic advantage.
  • the substrate is coated in such a way that alternately low refractive index Functional layers and high-index functional layers are applied by sputtering in a reactive atmosphere.
  • the low-index functional layers preferably consist of Si0 2 and the high-index functional layers preferably Zr0 2 , since these materials are particularly suitable for optical interference systems.
  • these intermediate layers have a thickness of 0.1 nm - 20 nm, preferably 0.5 nm - 10 nm, particularly preferably 1 nm - 3 nm and are not optically effective, that is to say they remain in each Case below a thickness at which they cause a noticeable change in the spectral curve in the area of the electromagnetic spectrum under consideration.
  • the functional layers produced by this process appear more brilliant and smoother and increase the transmittance and / or reflectance.
  • the method according to the invention is also suitable for coating a substrate with a metal layer, in particular a functional layer made of chromium.
  • the functional layer made of metal, in particular chromium is interrupted here by coupling in an oxygen-rich microwave plasma, which can be generated by means of a microvawe applicator.
  • the process of sputtering pure metal Targets or the Cr targets briefly interrupted and the Mikrovawe Applicator activated, which leads to the fact that oxygen is introduced into the vacuum. This oxygen reacts with the metal layer already applied to the substrate to form a thin metal oxide layer and thus forms a very thin intermediate layer. Then the sputtering of the metal or chromium targets is continued. Layers produced in this way have a significantly smoother surface, which also contributes to better optical properties and for further processing.
  • Stainless steel die was measured, a previously preferred method for producing highly polished electrically conductive surfaces.
  • Each of the aforementioned coating processes can be repeated any number of times in order to obtain a plurality of functional layers with intermediate layers, it not necessarily being necessary for each functional layer to be interrupted by means of an intermediate layer.
  • the substrates are advantageously mounted on a drum, which is located within the vacuum chamber, and rotate past the targets with the layer starting materials and the oxygen source. This ensures a homogeneous coating.
  • the invention comprises a coated substrate with at least one functional layer made of a metal, in which the
  • Functional layer is interrupted at least once by an intermediate layer, wherein the intermediate layer consists of a metal oxide and remains below a thickness of 10 nm.
  • Chromium layer it has turned out to be positive for the smoothness of the surface if this is interrupted by means of an intermediate layer made of a metal oxide, in particular by means of a chromium oxide layer.
  • Substrates coated with chromium in this way are used, for example, as substrates for lithographic processes.
  • Another coated substrate according to the invention is intended for use as an optical element, such as color filters, for digital projection.
  • the coating of the substrate here consists of at least one functional layer made of a metal oxide, and at least one intermediate layer interrupting the functional layer made of a metal oxide.
  • the thickness of the substrate here consists of at least one functional layer made of a metal oxide, and at least one intermediate layer interrupting the functional layer made of a metal oxide.
  • the individual functional layers are preferably low-index functional layers and high-index functional layers, the functional layers having at least one intermediate layer made of a metal oxide are interrupted.
  • a high-index function layer of Zr0 2 a low refractive index intermediate layer of Si0 2 is introduced.
  • Substrates coated in this way are not coupled to known sputtering processes and their production is also conceivable with other processes, for example with CVD processes.
  • Fig. 1 A schematic representation of a
  • Magnetron sputtering device for coating substrates with Si0 2 and / or Zr0 2 .
  • Fig. 2 A schematic representation of a
  • Magnetron sputtering device for coating substrates with Cr. 3: A schematic representation of a cross section through a layer system according to an embodiment of the invention
  • the representations are not to scale; the thickness of the layers and the relation of the layer thicknesses to one another can in principle be freely selected for the respective application.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated magnetron sputtering device which can be used for coating substrates with high and low refractive index functional layers.
  • the magnetron sputtering device shown has four on its circular wall (6) in this exemplary embodiment
  • a plurality of substrates (1) are applied to the drum (7) within the vacuum chamber.
  • Zr is then sputtered again from the Zr targets (10 b) for the still missing second half of the first functional layer in a reactive atmosphere for 192 s.
  • a further, low-index functional layer is applied.
  • This consists of silicon oxide, that of the Si targets (11 b) as Si atoms with a Coating rate of 25.7 nm Si0 2 / min in the vacuum chamber (5) is reactively sputtered. This Si0 2 is also reflected on the previously applied layers. In this step too, the duration of the coating depends on the thickness of the layer to be applied.
  • the functional layer made of SiO 2 can also be divided with a very thin ZrO 2 intermediate layer.
  • an alternating layer system e.g. a blue filter
  • the application of several alternating layer systems necessary. It makes sense to subdivide several layers in such an alternating layer system.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a magnetron sputtering system which is used for the production of chrome layers according to the invention for lithographic processes on substrates. Its structure corresponds to that of the magnetron sputtering system from FIG. 1, but only has two sputtering electrode units (12 a).
  • the substrates (1) are on the drum (7) within the
  • Vacuum chamber (5) provided.
  • Cr atoms are introduced into the vacuum chamber (5) by metallic sputtering of the Cr targets (12 b).
  • the sputtering process is carried out until the desired one Thickness of the chrome layer, here 30 nm is reached. Then the sputter electrode units (12 a) are switched off and the microwave generator (8) is briefly activated, which creates an oxygen plasma in the vacuum chamber (5) which oxidizes the freshly sputtered metallic chrome surface. The thickness of the resulting oxide layer is so thin that it has no influence on the spectral properties, in particular the reflection properties of the mirror layer.
  • the microwave generator (8) is switched off and the sputtering electrode units (12 a) are activated again and another chrome layer of approximately 30 nm is applied again by metallic sputtering of the Cr targets (12 b). This procedure is repeated until the desired total thickness of 270 nm is reached.
  • FIG. 3 schematically shows a substrate coated with the functional layer described above
  • a first half of a functional layer (3) has been applied to the substrate (1), then the interruption is carried out with an intermediate layer (4) and then the second half of a functional layer (3).
  • the interruption is carried out with an intermediate layer (4) and then the second half of a functional layer (3).

Abstract

Um Substrate mit Funktionsschichten herzustellen, welche eine hohe optische Eigenschaften und/oder hohe Oberflächenglattheit, insbesondere eine geringe Trübung und deutlich geringere Rauhigkeit aufweisen, stellt die Erfindung ein Sputterverfahren zum Beschichten eines Substrats mit mindestens einer Funktionsschicht bereit, wobei der Sputterprozess zum Beschichten mit einer Funktionsschicht zumindest einmal unterbrochen wird und eine Zwischenschicht aufgebracht wird, die unter einer Dicke von 20 nm, sowie verfahrensgemäss hergestellte beschichtete Substrate.

Description

Verfahren zur Herstellung von Schichten und Schichtsystemen sowie beschichtetes Substrat
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystemes mit hochwertigen optischen Eigenschaften und/oder hoher Oberflächenglattheit sowie beschichtete Substrate mit hochwertigen optischen Eigenschaften und/oder hoher Oberflächenglattheit .
Verfahren zum Beschichten von Substraten mit insbesondere optischen Schichten zur Herstellungen von optischen Bauteilen wie beispielsweise Spiegel oder Reflektoren sind seit langem bekannt. Die optischen Schichten haben dabei vielfältigste Funktionen hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Strahlung innerhalb eines bestimmten Bereiches des elektromagnetischen Spektrums .
Verfahren zum Beschichten von Substraten mit insbesondere optischen Schichtsystemen, die aus mehreren einzelnen Funktionsschichten, insbesondere aus wechselnd angeordneten hoch- und niedrigbrechenden Schichten aufgebaut sind, sind ebenfalls seit Jahren für eine Vielzahl von Anwendungen bekannt. Dabei wirken die Schichtsysteme oftmals als Lichtinterferenzfilm, dessen optische Eigenschaften durch die Wahl des Materials für die hoch- bzw. niedrigbrechenden Schichten und damit der entsprechenden Brechungsindizes, durch die Anordnung der einzelnen Schichten und durch die Wahl der einzelnen Schichtdicken bestimmt sind. Die Auswahl erfolgt im wesentlichen unter Ausnutzung bekannter optischer Designregeln und Designhilfsmittel nach Maßgabe' der angestrebten optischen Eigenschaften und der Verarbeitbarkeit .
In den letzten Jahren haben sich hauptsächlich PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) und CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) zur Herstellung von Schichten bzw. Schichtsysteme, insbesondere für optische Schichten und Schichtsystemen, durchgesetzt.
CVD-Verfahren werden zur Herstellung von Schichten aus refraktären und anderen Metallen, Carbiden, Nitriden und Oxiden verwendet. Dem Vorteil, dass viele Materialien mit nahezu theoretischer Dichte und guter Haftfestigkeit, gleichförmig sowie mit großer Reinheit aufgebracht werden können, steht der Nachteil gegenüber, dass nicht für jedes gewünschte Schichtmaterial passende Reaktionen existieren, das Substrat der meist hohen Reaktionstemperatur standhalten und dem Reaktanden gegenüber chemisch stabil sein muss . Im allgemeinen liegen die während der Reaktion erforderlichen Drücke bei 10 bis 100 Pa, so dass die freie Weglänge der Teilchen relativ gering ist und die Beschichtungsraten für industrielle Prozesse nicht optimal sind.
Die PVD-Verfahren, insbesondere Sputterverfahren, zeichnen sich heute demgegenüber dadurch aus, dass eine Vielfalt an beschichtbaren Substratmaterialien möglich ist, dass es eine nahezu uneingeschränkte Auswahl an Beschichtungsmaterialien gibt, dass die Wahl der Substrattemperatur frei ist, dass die • Schichthaftung hervorragend ist und dass die MikroStruktur der Schichten durch die Wahl der Prozessparameter einfach zu beeinflussen ist. Die Nachteile der ursprünglich entwickelten Sputterverfahren wurden durch vielfältige Entwicklungen weitgehend behoben, so dass die Sputtertechnologie heute zu den universellsten und am weitesten verbreiteten Beschichtungsverfahren zu zählen ist .
Für industrielle Beschichtungsverfahren haben sich in den letzten Jahren durch den Einsatz und die Weiterentwicklung von Magnetron-Sputterquellen besonders die Magnetron- Sputterverfahren als geeignet erwiesen. Die Magnetron- Sputterverfahren ermöglichen hohe Beschichtungsraten im niedrigen Druckbereich (bis unter 0,lPa) bei geringer Substraterwärmung.
Grundsätzlich ist dem Fachmann die Verfahrensweise des Sputterns bekannt.
Mittels einer Sputtervorrichtung, wie sie beispielsweise in der DE 41 06 770 beschrieben wird, werden Substrate mit Hilfe der Kathodenzerstäubung, vorzugsweise durch Magnetronkathodenzerstäubung beschichtet. Dabei werden sogenannte Targets aus dem Schichtausgangsmaterial der Einwirkung einer zwischen zwei Elektroden sich ausbildenden Plasmawolke ausgesetzt, wobei das Target gleichzeitig die Kathode bildet. Das zerstäubte Targetmaterial besitzt eine Affinität zum Reaktivgas und schlägt sich, mit diesem eine chemische Verbindung bildend, als Schicht auf dem Substrat nieder. In der EP 0 516 436 Bl ist eine Magnetron-Sputteranlage zum Beschichten eines Substrates mit einer oder mehreren Schichten beschrieben. Die spezielle Form der Anlage trägt zu einem effizienteren Sputterprozess bei. Die Anlage weist dazu eine Vakuumkammer auf, in der sich ein trommeiförmiger Substrathalter und an den Wandungen der Vakuumkammer Targets aus den Schichtausgangsmaterialien befinden, wobei die Targets auf Magnetrons angeordnet sind.
Durch das Drehen der Trommel auf der sich die Substrate befinden, werden diese gleichmäßig beschichtet. Auch bewirkt diese Form des Sputterns, dass die Substrate mit mehreren Schichten beschichtet werden können, ohne aus der
Vakuumkammer genommen zu werden und die Dicke der Schicht einfach zu beeinflussen ist.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass mit den bekannten Sputterverfahren zur Beschichtung von Substraten mit insbesonderen optischen Schichten und Schichtsystemen noch immer Qualitätsmängel in Form von Trübungen und verhältnismäßig starker Rauhigkeit der Schichtober lächen auftreten, die bei Beleuchtung des beschichteten Substrates meist als Bereiche mit diffuser Lichtstreuung zu erkennen sind. Neben einem rein kosmetischen Effekt bewirken Trübungen eine Verringerung des Reflexionsgrades der Beschichtung und damit der Güte von Reflexionsoptiken. Bei Filteroptiken führen diese Trübungen zu einer Verminderung des Transmissionsgrades. In beiden Fällen kann neben dem Effekt der Lichtstreuung auch eine erhöhte Absorption zur Verminderung der Produktqualität beitragen. Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zum Beschichten von Substraten bereitzustellen, mit dem Schichten und SchichtSysteme aufgebracht werden, welche eine hohe optische Güte und/oder eine hohe
Oberflächenglattheit aufweisen, sowie beschichtete Substrate mit hoher optischer Güte und/oder hoher Oberflächenglattheit zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschender Weise durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 10 und einem beschichteten Substrat gemäß der Ansprüche 11 bis 23 gelöst.
Dementsprechend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit mindestens einer
Funktionsschicht,, das Bereitstellen eines Substrates in einem Vakuumsystem sowie das Bereitstellen des Schichtausgangsmaterials in diesem Vakuumsystem und das Beschichten des Substrats mittels Sputtern des Schichtausgangsmaterials, bei welchem der Sputterprozess zum Beschichten des Substrates mit der FunktionsSchicht zumindest einmal unterbrochen wird, wobei eine im Verhältnis zur Funktionsschicht sehr dünne, von der FunktionsSchicht verschiedene Zwischenschicht aufgebracht wird, die unter einer Dicke von 20 nm bleibt.
Als Sputtern werden solche Prozesse bezeichnet, bei denen die Schichtausgangsmaterialien, die in fester Form als Target vorliegen, dem Beschuss von Ionen ausgesetzt werden, so dass es zur Emission von Atomen, Atomclustern oder Molekülen des Targets und somit zu einem Zerstäuben des Schichtausgangsmaterials kommt . Die hier im weiteren benannten Funktionsschichten können optisch wirksame (d.h. diese haben eine Funktionen hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Strahlung innerhalb eines bestimmten Bereiches des elektromagnetischen Spektrums) Einzelschichten einer Beschichtung sein. Dabei kann die Beschichtung sowohl aus nur einer FunktionsSchicht als auch aus mehreren Funktionsschichten, beispielsweise einem Interferenzschichtsystem aus hoch- und niedrig brechenden Funktionsschichten bestehen.
Das hier beschriebene Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit mindestens einer FunktionsSchicht beeinflußt in vorteilhafter Weise weder die Konstruktion bekannter Anlagen noch die bekannten Sputterprozesse als solche, sondern gibt einen neuen Verfahrensablauf für die Herstellung von Funktionsschichten vor, wodurch deren Qualität wesentlich verbessert werden kann. Es müssen hierzu keine Änderungen an sich bekannten Anlagen durchgeführt werden sondern lediglich der Prozessablauf gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens mit an sich bekannten Mitteln neu organisiert werden. Das Verfahren ist nicht auf bestimmte Sputteranlagen begrenzt, sondern auf jede Anlagenform, die das Sputtern von Schichtausgangsmaterialien ermöglicht, übertragbar.
Als besonders vorteilhaft hat sich das Magnetronsputtern herausgestellt, da höhere Sputterraten erzielt werden können als mit anderen Sputterverfahren und somit ein wirtschaftlicher Vorteil gegeben ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Substrat derart beschichtet, dass abwechselnd niedrigbrechende Funktionsschichten und hochbrechende Funktionsschichten mittels Sputtern in einer reaktiven Atmosphäre aufgebracht werden. Hierbei bestehen die niedrigbrechenden Funktionsschichten bevorzugt aus Si02 und die hochbrechenden Funktionsschichten bevorzugt aus Zr02, da diese Materialien besonders für optische Interferenzsysteme geeignet sind.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass wesentlich trübungsärmere Funktionsschichten erzielt werden können, wenn die hochbrechenden Funktionsschichten aus Zr02 durch niedrigbrechende, sehr dünne Zwischenschichten aus Si02 unterbrochen werden.
Diese Zwischenschichten weisen in Abhängigkeit von der Dicke der Funktionsschicht eine Dicke von 0,1 nm - 20 nm, bevorzugt 0,5 nm - 10 nm, besonders bevorzugt 1 nm - 3 nm auf und sind optisch nicht wirksam, dass heißt sie bleiben in jedem Fall unter einer Dicke, bei welcher sie im betrachteten Bereich des elektromagnetischen Spektrums eine merklichen Änderungen der Spektralkurve hervorrufen.
Die nach diesem Verfahren hergestellten Funktionsschichten erscheinen brillanter und glatter und bewirken eine Erhöhung des Trans issionsgrades und/oder Reflexionsgrades .
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ebenfalls zum Beschichten eines Substrats mit einer Metallschicht, insbesondere einer Funktionsschicht aus Chrom.
Die Unterbrechung der FunktionsSchicht aus Metall, insbesondere aus Chrom, erfolgt hier durch die Einkopplung eines sauerstoffreichen Mikrowellenplasmas, das mittels eines Mikrovawe Applicator erzeugt werden kann. Dabei wird der Prozess des Sputterns von reinen Metall- Targets bzw. den Cr-Targets, kurzzeitig unterbrochen und der Mikrovawe Applicator aktiviert, was dazu führt, dass Sauerstoff in das Vakuum eingebracht wird. Dieser Sauerstoff reagiert mit der auf dem Substrat bereits aufgebrachten Metallschicht zu einer dünnen Metalloxidschicht und bildet somit eine sehr dünne Zwischenschicht. Anschließend wird mit dem Sputtern der Metall- bzw. Crom-Targets fortgefahren. Derart hergestellte Schichten haben eine deutlich glattere Oberfläche, was ebenfalls zu besseren optischen Eigenschaften beiträgt, sowie für die weitere Verarbeitung.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass dieses Verfahren dazu führt, dass die gemessene Rauhigkeit einer nach diesem Verfahren hergestellten Oberfläche einer Chromschicht nur etwa halb so groß ist, wie sie bei einer polierten
Edelstahlmatritze gemessen wurde, einem bisher bevorzugten Verfahren zur Erzeugung hochpolierter elektrisch leitfähiger Oberflächen.
Jeder dieser vorgenannten Beschichtungsvorgänge ist beliebig oft wiederholbar, um mehrere Funktionsschichten mit Zwischenschichten zu erhalten, wobei es nicht notwendigerweise erforderlich ist, dass jede Funktionsschicht mittels einer Zwischenschicht unterbrochen wird.
Vorteilhafterweise werden die Substrate auf einer Trommel, die sich innerhalb der Vakuumkammer befindet, angebracht und rotieren an den Targets mit den Schichtausgangsmaterialien und an der Sauerstoffquelle vorbei . Hierdurch ist eine homogene Beschichtung gewährleistet.
Es liegt für den Fachmann nahe, dass ebenfalls andere, geeignete Vorrichtungen zur Beschichtung verwendet werden können.
Die Erfindung umfasst, neben dem erfindungsgemäßen Verfahren ein beschichtetes Substrat mit mindestens einer Funktionsschicht aus einem Metall, bei welchem die
Funktionsschicht mindestens einmal durch eine Zwischenschicht unterbrochen wird, wobei die Zwischenschicht aus einem Metalloxid besteht und unter einer Dicke von 10 nm bleibt.
Besonders für Substrate, deren Funktionsschicht eine
Chromschicht ist, hat es sich als positiv für die Glattheit der Oberfläche herausgestellt, wenn diese mittels einer Zwischenschicht aus einem Metalloxid, insbesondere mittels einer Chromoxidschicht unterbrochen wird. .
Derart beschichtete Substrate mit Chrom finden beispielsweise Verwendung als Substrate für lithgrafische Prozesse.
Eine weiteres erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat ist für die Verwendung als optisches Element, wie beispielsweise Farbfilter, für die digitale Projektion vorgesehen.
Die Beschichtung des Substrates besteht hier aus mindestens einer Funktionsschicht aus einem Metalloxid, sowie mindestens einer die Funktionsschicht unterbrechenden Zwischenschicht aus einem Metalloxid. Hier bleibt die Dicke der
Zwischenschicht unter einer Dicke, bei welcher sie optisch wirksam ist.
Die einzelnen Funktionsschichten sind vorzugsweise niedrigbrechende Funktionsschichten und hochbrechende Funktionsschichten, wobei die Funktionsschichten mit mindestens einer Zwischenschicht aus einem Metalloxid unterbrochen sind. Dabei wird in einer hochbrechenden Funktionsschicht aus Zr02 eine niedrigbrechende Zwischenschicht aus Si02 eingebracht .
Da derart gestaltete Beschichtungen von Substraten die bereits erwähnten guten optischen Eigenschaften aufweisen, finden sie in vielen Bereichen Verwendung.
Derartig beschichtete Substrate sind nicht an bekannte Sputter-Verfahren gekoppelt und deren Herstellung ist auch mit anderen Verfahren, beispielsweise mit CVD-Verfahren denkbar.
Die hier offenbarten Verfahren stellen lediglich mögliche, vorteilhafte Verfahren dar, mit denen erfindungsgemäße beschichtete Substrate herstellbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert . Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche oder ähnliche Teile.
Es zeigen:
Fig. 1: Eine schematische Darstellung einer
Magnetron-Sputtereinrichtung zum Beschichten von Substraten mit Si02 und/oder Zr02.
Fig. 2: Eine schematische Darstellung einer
Magnetron-Sputtereinrichtung zum Beschichten von Substraten mit Cr. Fig. 3: Eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Schichtsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
Die Darstellungen sind nicht maßstabsgetreu; die Dicke der Schichten und die Relation der Schichtdicken zueinander ist grundsätzlich für den jeweiligen Anwendungsfall frei wählbar.
Beispielhafte Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematisch dargestellte Magnetron- Sputtereinrichtung, die zur Beschichtung von Substraten mit hoch- und niedrigbrechenden Funktionsschichten eingesetzt werden kann.
Der grundsätzliche Aufbau einer solchen Magnetron- Sputtereinrichtung ist aus der EP 0 516 436 Bl bekannt, weshalb im folgenden auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
Innerhalb der Vakuumkammer (5) befindet sich eine Trommel (7) , auf der die einzelnen zu beschichteten Substrate (1) befestigt sind. Des weiteren verfügt die dargestellte Magnetron-Sputtereinrichtung an ihrer kreisförmigen Wandung (6) in diesem Ausführungsbeispiel über vier
Sputterelektodeneinheiten (10 a, 11 a) , sowie eine Pumpe (9) und zwei Mikrowellengeneratoren (8) . Es hat sich gezeigt, dass die in der EP 0 516 436 Bl beschriebe Anlage sich gut für die erfindungsgemäße Beschichtung eines Substrats eignet, jedoch ist das Verfahren nicht nur auf diese beschränkt, sondern auch auf anderen Sputteranlagen durchführbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung von Blaufiltern mit Metalloxidschichten werden mehrere Substrate (1) auf die Trommel (7) innerhalb der Vakuumkammer aufgebracht .
Zum Beschichten dieser Substrate (1) mit einem hochbrechenden Zr02 und niedrigbrechenden Si02-Wechselschichtsystem, bei dem die erste Zr02-Schicht eine Dicke von ca. 93,3 nm aufweist, werden durch Sputtern der Zr-Targets (10 b) Zr-Atome in die Vakuumskammer (5) eingebracht, welche mit dem eingelassenen Sauerstoffreaktivgas aus den Mikrowellengeneratoren (8) zu Zr02 reagieren und mit einer Beschichtungsrate von 14,1 nm Zr02/min nach 205 s eine erste Teilschicht der
Funktionsschicht bilden. Dann erfolgt für einen kurzen Zeitraum von 4 s reaktives Sputtern von Si-Atomen von den Si- Targets (11 b) . Das entstehende Si02 schlägt sich als Zwischenschicht mit einer Beschichtungsrate von 25,7 nm Si02/min auf der ersten aufgebrachten Zr02-Funktionschicht nieder.
Die kurze Beschichtungsdauer von nur 4 s für das Aufbringen der Zwischenschicht aus Si02 ergibt . in diesem Fall eine rechnerische Dicke der Zwischenschicht von 1,7 nm.
Anschließend wird wieder Zr von den Zr-Targets (10 b) für die noch fehlende zweite Hälfte der ersten Funktionsschicht in einer reaktiven Atmosphäre für 192 s gesputtert.
Im nächsten Schritt wird eine weitere, niedrigbrechende Funktionsschicht aufgebracht. Diese besteht aus Siliziumoxid, dass von den Si-Targets (11 b) als Si-Atome mit einer Beschichtungsrate von 25,7 nm Si02/min in die Vakuumskammer (5) reaktiv gesputtert wird. Dieses Si02 schlägt sich ebenfalls auf den bisher aufgebrachten Schichten nieder. Auch im diesen Schritt richtet sich die Dauer der Beschichtung nach der Dicke der Schicht, die aufgebracht werden soll.
Es ist naheliegend, dass die Funktionsschicht aus Si02, falls gewünscht, ebenfalls mit einer sehr dünnen Zr02- Zwischenschicht geteilt werden kann.
Je nach Anwendungsfall ist für die Erzielung einer beabsichtigten optischen Wirkung eines Wechselschichtsystemes z.B. eines Blaufilters, das Aufbringen mehrerer Wechselschichtsysteme notwendig. Es liegt durchaus nahe innerhalb eines solchen Wechselschichtsystemes mehrere Schichten derart zu unterteilen.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Magnetron- Sputteranlage, die zum erfindungemäßen Herstellen von Chromschichten für lithografische Prozesseauf Substraten dient. Sie entspricht in ihrem Aufbau der Magnetron- Sputteranlage aus Figur 1, verfügt aber nur über zwei Sputterelektodeneinheiten (12 a) .
Die Substrate (1) werden auf der Trommel (7) innerhalb der
Vakuumkammer (5) bereitgestellt. Zum Aufbringen einer ersten Funktionsschicht aus Chrom auf ein Substrat (1) werden durch metallisches Sputtern der Cr-Targets (12 b) Cr-Atome in die Vakuumkammer (5) eingebracht.
Hierbei ist entscheidend, dass sich in der Vakuumkammer (5) kein Sauerstoff befindet oder zugeführt wird. Der Sputterprozess wird so lange durchgeführt, bis die gewünschte Dicke der Chromschicht, hier 30 nm erreicht ist. Dann werden die Sputterelektodeneinheiten (12 a) ausgeschaltet und ein kurzzeitiges Aktivieren des Mikrowellengeneratoren (8) erfolgt, wodurch ein Sauerstoffplasma in der Vakuumkammer (5) entsteht, das die frisch gesputterte metallische Chromoberfäche anoxidiert. Die Dicke der dabei entstehenden Oxidschicht ist so dünn, dass sie keinen Einfluß auf die spektralen Eigenschaften, insbesondere die Reflexionseigenschaften der Spiegelschicht hat.
Nach diesem Vorgang wird der Mikrowellengeneratoren (8) ausgeschaltet und erneut die Sputterelektodeneinheiten (12 a) aktiviert und es erfolgt erneut das Aufbringen einer weiteren Chromschicht von ca. 30 nm durch metallisches Sputtern der Cr-Targets (12 b) . Diese Verfahrensweise wird so oft wiederholt, bis die gewünschte Gesamtdicke von 270 nm erreicht ist.
Figur 3 zeigt schematisch ein nach dem oben beschriebenen Verfahren beschichtetes Substrat mit einer Funktionsschicht
(2) . Hierbei ist auf dem Substrat (1) eine erste Hälfte einer Funktionsschicht (3) aufgebracht worden, dann erfolgt die Unterbrechung mit einer Zwischenschicht (4) und darauf die zweite Hälfte einer Funktionsschicht (3) . Je nach Anwendungsfall und Vorgabe des optischen Design liegt es durchaus nahe, mehrere derart geteilte, auch unterschiedliche Funktionsschichten (2) übereinander aufzubringen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (1) mit mindestens einer Funktionsschicht (2) , umfassend a) das Bereitstellen des Substrates (1) und des
Schichtausgangsmaterials in einem Vakuumsystem (5) und b) das Beschichten des Substrates (1) mit einer Funktionsschicht (2) mittels Sputtern des Schichtausgangsmaterials dadurch gekennzeichnet, dass bl) das Sputtern des Schichtausgangsmaterials zum
Beschichten des Substrates (1) mit einer Funktionsschicht (2) zumindest einmal unterbrochen wird und eine von der Funktionsschicht verschiedene Zwischenschicht (4) erzeugt wird, deren Dicke < 20 nm beträgt, b2) das Sputtern des Schichtausgangsmaterials nach der Unterbrechung fortgesetzt wird.
2. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten des Substrates (1) mit einer Funktionsschicht (2) mittels Magnetron-Sputtern des Schichtausgangsmaterials aufgebracht wird.
3. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Funktionsschicht mittels eines Magnetron-Sputterverfahren gemäß der EP 0 516 436 Bl aufgebracht wird.
4. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Funktionsschichten (2) , insbesondere als Wechselschichtsystem aus nierigbrechenden Funktionsschichten (2) und hochbrechenden Funktionsschichten (2) aufgebracht werden.
5. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrigbrechenden Funktionsschichten (2) durch Sputtern von hochbrechende Zwischenschichten (4) und/oder die hochbrechenden Funktionsschichten (2) durch Sputtern von niedrigbrechenden Zwischenschichten (4) unterbrochen werden, wobei die Zwischenschichten unter einer Dicke bleiben, bei der sie optisch wirksam werden, vorzugsweise < 10 nm.
6. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrigbrechenden Funktionsschichten (2) und die niedrigbrechende Zwischenschichten (4) durch Sputtern von Silizium in einer reaktiven Atmosphäre aus Si02 bestehen und die hochbrechenden Funktionsschichten (2) und die hochbrechende Zwischenschichten (4) durch Sputtern von Zirkon in einer reaktiven Atmosphäre aus Zr02 bestehen.
7. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als
Funktionsschicht (2) durch Sputtern eines Metalles eine reine Metallschicht aufgebracht wird.
8. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung des Sputterns der Funktionsschicht (2) durch die
Einkopplung eines sauerstoffreichen Mikrowellenplasma in die Vakuumkammer erfolgt, wobei eine Zwischenschicht (4) aus Metalloxid durch Oxidation der Oberfläche der bisher aufgewachsenen Funktionsschicht (2) aus Metall entsteht.
9. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (1) mit einer Funktionsschicht (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (2) mittels Sputtern von Chrom aufgebracht wird.
10. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (1) auf einer Trommel (7) , die sich innerhalb der Vakuumkammer befindet, an Targets (10, 11, 12) mit den Schichtausgangsmaterialien und einer Sauerstoffquelle (8) vorbei rotieren.
11. Beschichtetes Substrat (1) mit mindestens einer Funktionsschicht (2) aus einem Metall, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (2) mindestens eine sie unterbrechende Zwischenschicht (4) aus einem Metalloxid aufweist, deren Dicke < 10 nm beträgt.
12. Beschichtetes Substrat (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (2) eine Chromschicht ist.
13. Beschichtetes Substrat (1) nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die unterbrechende
Zwischenschicht (4) aus einem Metalloxid eine Chromoxidschicht ist .
14. Beschichtetes Substrat (1), nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieses herstellbar mit einem Verfahren gemäß der Ansprüche 7 bis 10 ist.
15. Beschichtetes Substrat, nach einem der Ansprüche 11 bis 14 , gekennzeichnet durch seine Verwendung als Substrat für lithografische Prozesse.
16. Beschichtetes Substrat (1) mit mindestens einer Funktionsschicht (2) aus einem Metalloxid, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (2) mindestens eine sie unterbrechende Zwischenschicht (4) aus einem Metalloxid aufweist, die unter einer Dicke bleibt, bei welcher diese optisch wirksam ist.
17. Beschichtetes Substrat (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Wechselschichtsystem aus hoch- und niedrigbrechenden Funktionsschichten umfasst.
18. Beschichtetes Substrat (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrigbrechende Funktionsschicht (2) aus Si02 und die hochbrechende Funktionsschicht (2) aus Zr02 besteht .
19. Beschichtetes Substrat (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die unterbrechende Zwischenschicht (4) aus einem Metalloxid in einer hochbrechenden
Funktionsschicht (2) aus Zr02 eine niedrigbrechende Zwischenschicht (4) aus Si02 ist und die unterbrechende Zwischenschicht (4) aus einem Metalloxid in einer niedrigbrechenden Funktionsschicht (2) aus Si02 eine hochbrechende Zwischenschicht (4) aus Zr02. ist.
20. Beschichtetes Substrat (1), nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass dieses herstellbar mit einem Verfahren gemäß der Ansprüche 4 bis 6 ist.
21. Beschichtetes Substrat, nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekennzeichnet durch seine Verwendung als optisches Element .
22: Beschichtetes Substrat, nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Farbfilter.
23. Beschichtetes Substrat, nach einem der Ansprüche 11 bis 22, gekennzeichnet dadurch, dass die Funktionsschicht eine optische Funktionsschicht ist.
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