Optische Dünnfilme auf komplexen Substratgeometrien

Ein optisches Dünnfilmbeschichtungsverfahren der nächsten Generation mit chemischer Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) ermöglicht die Herstellung von Interferenzfilterbeschichtungen, z. B. Einzelwellenlängen-, Dualband- und Breitband-AR-, Kaltspiegel-, dichroitische und leitfähige Beschichtungen. Das von Deposition Sciences, Inc. (DSI) entwickelte verbesserte Dünnfilm-IsoDyn™-Verfahren wird jetzt zur Herstellung konformer Beschichtungen auf komplexen Substratgeometrien eingesetzt. Diese Fähigkeit ermöglicht eine Vielzahl neuer Anwendungen, die gleichmäßige, mehrschichtige Beschichtungen auf komplexen Formen erfordern können, von einfachen Kugellinsen bis hin zu nahezu jeder erdenklichen optischen Form.

Mit einer breiten Wellenlängenabdeckung von 300 nm bis 5 μm öffnet die neue LPCVD-Dünnschichttechnologie die Tür für neuartige Optikdesigns. Solche Designs wurden in der Vergangenheit aufgrund der Einschränkungen gängigerer Abscheidungsmethoden wie Verdampfen oder Sputtern möglicherweise nicht in Betracht gezogen. Obwohl diese Abscheidungsmethoden für einige Anwendungen hervorragend geeignet sind, können sie nicht mit der konformen Abdeckung und Beschichtungsgleichmäßigkeit mithalten, die LPCVD für nichtplanare und asymmetrische optische Komponenten bietet (Abbildung 1).

Der chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidungsprozess von IsoDyn ähnelt der Technologie, die üblicherweise in der Halbleiterindustrie verwendet wird. Es wurde optimiert, um lochfreie, partikelarme, hochwertige optische Beschichtungen mit hervorragender Oberflächenqualität herzustellen. Die Kratz-/Grabqualität einer Substratoberfläche wird durch die Ablagerung nicht beeinträchtigt und es können Filme mit geringer Oberflächenrauheit (d. h. < 5 nm) erhalten werden.

LPCVD ist im Wesentlichen ein thermisches Verfahren, mit dem dünne Filme aus Gasphasenvorläufern bei Unterdruck abgeschieden werden. Die Abscheidung erfolgt durch Diffusion von Reaktanten auf eine erhitzte Substratoberfläche, wo eine irreversible Oberflächenreaktion stattfindet. Die chemische Reaktion an der Oberfläche könnte einer von mehreren möglichen Mechanismen sein, darunter thermische Zersetzung (Pyrolyse), Reduktion, Hydrolyse, Oxidation, Aufkohlung und Nitridierung. Das heiße Substrat, üblicherweise über 400 °C, liefert die Energie für die Reaktion.

LPCVD unterscheidet sich von anderen Abscheidungsprozessen wie Verdampfen, Sputtern und sogar atmosphärischer chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) in einer Reihe wichtiger und vorteilhafter Aspekte. Physikalische Gasphasenabscheidungstechniken (PVD) wie Verdampfen und Sputtern sind auf Sichtliniengeometrien beschränkt und können nicht zum Beschichten tief vertiefter Formen verwendet werden. LPCVD hingegen kann aufgrund seiner kleinen mittleren freien Weglänge problemlos gleichmäßige Beschichtungen auf allen Substratformen bereitstellen, einschließlich tief vertiefter Formen und sogar Rohren. Die mittlere freie Weglänge, der durchschnittliche Abstand zwischen molekularen Kollisionen, ist bei LPCVD um viele Größenordnungen kleiner als bei PVD. Das bedeutet, dass es in der Gasphase noch viel mehr Kollisionen zwischen Atomen und Molekülen gibt, bevor sie auf das Substrat treffen. Während zur Beschreibung von PVD-Prozessen häufig ein „Billardkugel“-Modell verwendet wird, ist CVD eher mit dem Fließen einer Flüssigkeit durch ein Rohr vergleichbar. Vereinfacht gesagt werden bei LPCVD alle freiliegenden Oberflächen „nass“ werden. Darüber hinaus erfordert LPCVD nicht das hohe Vakuum (sehr niedrige Drücke), das für PVD erforderlich ist.

Im Vergleich zum atmosphärischen CVD ermöglicht LPCVD gleichmäßigere konforme Beschichtungen. Aufgrund des reduzierten Drucks und der erhöhten Abscheidungstemperaturen, die beim LPCVD verwendet werden, ist die thermische Diffusionsfähigkeit groß und erleichtert so eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanten innerhalb eines gegebenen Querschnitts der Abscheidungskammer. Die richtige Berücksichtigung der Strömungsbedingungen ist einer der Schlüssel zur erfolgreichen Entwicklung von CVD-Prozessen (Abbildung 2). LPCVD zeichnet sich durch Kontinuumsströmungsbedingungen im laminaren Bereich aus. Die Reaktorgeometrie ist ein entscheidender Faktor, der bei der Einrichtung und Optimierung des LPCVD-Prozesses berücksichtigt werden muss.

Diese grundlegenden Eigenschaften von LPCVD ermöglichen die Entwicklung von Abscheidungsprozessen, die eine gleichmäßige Abdeckung auf allen Oberflächen des Substrats gewährleisten. Diese Eigenschaft hat zu einem breiten Einsatz von LPCVD in der Halbleiterindustrie geführt, da auf ähnliche Weise eine hervorragende Stufenabdeckung von Mikrometer- und Submikron-Strukturen erzielt werden kann. Im Gegensatz dazu ermöglichen die große mittlere freie Weglänge und das molekulare Gasverhalten, die die PVD-Verarbeitung charakterisieren, hauptsächlich eine Sichtlinienabscheidung.

Im Gegensatz zu Sputter- oder Verdampfungsprozessen, die feste Targets als Ausgangsmaterialien verwenden, nutzen CVD-Prozesse eine Vielzahl chemischer Verbindungen, die typischerweise als Vorläufer bezeichnet werden. Es gibt drei Hauptklassifizierungen von Vorläufern in der CVD-Welt: Metallhydride, Metallhalogenide und metallorganische Verbindungen. Im Bereich der metallorganischen CVD (MOCVD) gibt es eine große Anzahl potenzieller Vorläufermaterialien. Tatsächlich stehen allein für Zinn über 100 metallorganische Verbindungen zur Verfügung. Die Auswahl eines geeigneten Vorläufermaterials ist ein Schlüsselaspekt der LPCVD-Abscheidung. Wichtige Überlegungen bei der Auswahl eines Ausgangsvorläufermaterials umfassen die Reaktionstemperatur, Reinheitsanforderungen, Reaktionswege und die Fähigkeit, das Material geeignet zu verdampfen und an die Substratoberfläche abzugeben.

Der ordnungsgemäße Umgang mit Vorläufermaterialien und Nebenprodukten ist ein wichtiger Aspekt der CVD, da einige Materialien für Menschen, Tiere und die Umwelt gefährlich sein können. Die Reduzierung wird oft durch die Reaktion von Nebenprodukten bei sehr hohen Temperaturen erreicht, gefolgt von chemischen Wasch-, Absorptions- und/oder Kondensationstechniken, um Nebenprodukte aus dem Abwasserstrom abzutrennen.

Eine breite Palette von Materialien wurde mithilfe von CVD-Techniken abgeschieden. Dazu gehören Metalloxide, transparente leitfähige Oxide, Nitride, Karbide, Halbleiter, reine Metalle und synthetischer Diamant. Dementsprechend groß ist die Zahl möglicher Anwendungen. Durch CVD hergestellte Beschichtungen können in den oben genannten mehrschichtigen Interferenzstapeln als Schutzbeschichtungen für Diffusions-, Korrosions- und Verschleißfestigkeit sowie in einer Vielzahl von Systemen auf Photovoltaik-, Halbleiter- und Glasfaserbasis verwendet werden.

Über CVD wurde eine breite Palette transparenter leitfähiger Oxide (TCOs) abgeschieden, darunter fluordotiertes Zinnoxid (SnO:F), aluminiumdotiertes Zinkoxid (ZnO:Al), Antimonzinnoxid (SnO:Sb) und Indiumzinn Oxid (ITO), um nur einige der gebräuchlichsten Materialien zu nennen. TCOs zeichnen sich durch eine hervorragende Transmission im sichtbaren Bereich aus und besitzen gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Aufgrund der Fülle an freien Trägerelektronen können diese Materialien im Infrarotbereich und bei längeren Wellenlängen stark reflektierend sein, wenn der Schichtwiderstand entsprechend niedrig ist. Zu den Anwendungen gehören Elektroden, antistatische Beschichtungen, energieeffizientes Low-E-Glas und HF-blockierende Beschichtungen für Sicherheitsanwendungen. Die Verwendung solcher Materialien auf Substraten mit komplexer Form könnte ein Bereich für zukünftiges Wachstum sein und neue Optionen für das Systemdesign bieten.

Der IsoDyn LPCVD-Prozess von DSI wurde erfolgreich zur Beschichtung einer Vielzahl unterschiedlicher Oberflächen eingesetzt, darunter Parabolkonzentratoren, Kuppeloptiken, Kugellinsen, optische Fasern, Röhren und andere nicht-planare Substrate. DSI verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Telekommunikations-/Datenkommunikationsbranche mit hochwertigen, konformen AR-Beschichtungen auf Kugellinsen (Abbildung 3). Die durch das LPCVD-Verfahren hergestellten AR-Beschichtungen bieten eine 100-prozentige Abdeckung auf jeder Kugellinse, sodass keine Überlegungen zur Ausrichtung angestellt werden müssen. Dies wiederum sorgt für eine Reduzierung der Herstellungskosten im Zusammenhang mit der Montage von optischen Faserkopplern/-kollimatoren, die typischerweise im Wellenlängenbereich zwischen 1,30 μm und 1,57 μm arbeiten.

Heute finden Kugellinsen in neuen Bereichen Anwendung, die über die Faserkopplung hinausgehen. Ein Bereich von zunehmendem Interesse ist der Bereich der konzentrierten Photovoltaik (CPV)-Stromerzeugung. In der Mitte einer Reihe von Spiegeln platziert, kann eine Kugellinse mit großem Durchmesser verwendet werden, um Sonnenenergie auf eine hocheffiziente Solarzelle zu fokussieren. Dieses System nutzt die optischen Eigenschaften von Kugellinsen, um diffuses Licht in einen eng fokussierten Strahl zu bündeln. Durch die Anwendung einer Antireflexionsbeschichtung kann die Systemeffizienz durch Minimierung von Reflexionsverlusten um bis zu 6,5 % verbessert werden. Der IsoDyn LPCVD-Prozess ist in der Lage, Kugellinsen mit einer Größe von 200 μm bis 200 mm mit Einzel-, Dualband- und Breitband-AR-Beschichtungen sowie komplexeren optischen Filterdesigns zu beschichten.

Das LPCVD-Verfahren wurde von DSI auch in einer Vielzahl von Reflektoranwendungen eingesetzt, die ein breites Spektrum an Bauteilgeometrien abdecken. Die auf Reflektoren aufgebrachten Beschichtungen reichen von breitbandigen sichtbaren Kaltspiegeldesigns über Kurzwellendurchlass- und Langwellendurchlassfilter bis hin zu dichroitischen Filtern. Es besteht die Möglichkeit, Teilegrößen bis zu 8" × 12" zu verarbeiten.

Die neue Fähigkeit, Beschichtungen herzustellen, die den Spektralbandbereich von 300 nm bis 5 μm abdecken, umfasst eine breite Palette optischer Dünnschichtdesigns. Im sichtbaren Bereich wurden breitbandige AR-, Kurzwellenpass-, Langwellenpass-, Kaltspiegel- (Abbildung 4) und dichroitische Filterdesigns erfolgreich eingesetzt. Einzel-, Doppel- und Breitband-AR-Beschichtungen sind auch für Telekommunikationswellenlängen von 1310 nm/1550 nm auf Substraten mit einem Index von BK7 bis hin zu Saphir und kubischem Zirkonoxid erhältlich. Darüber hinaus können breitbandige Solar-AR-Beschichtungen (400 nm bis 1700 nm) sowie Heißspiegel auf eine Vielzahl von Substraten aufgebracht werden. In einigen Fällen kann es möglich sein, Leistung über mehrere Spektralbereiche hinweg zu erzielen, beispielsweise durch eine AR-Beschichtung sowohl für VIS- als auch für Mittelwellen-Infrarot-Spektralbänder (MWIR).

Mit dem proprietären LPCVD-Verfahren hergestellte optische Dünnschichtbeschichtungen können in extrem rauen Betriebsumgebungen eingesetzt werden. Die durch dieses Verfahren hergestellten Beschichtungen sind in den meisten Betriebsumgebungen thermisch stabil und chemisch inert, mit nachgewiesenen Betriebstemperaturen von bis zu 850 °C. Die mechanische Haltbarkeit und Haftung sind aufgrund der starken kovalenten Bindungen mit dem Substrat und an den Schichtgrenzflächen ausgezeichnet. Das IsoDyn-Verfahren eignet sich zur Beschichtung nahezu aller optischen Gläser, kristallinen Materialien, Keramiken und Metalle.

Der fortschrittliche IsoDyn-Beschichtungsprozess nutzt die grundlegenden Vorteile der LPCVD-Abscheidung, um konforme, defektarme Dünnfilmbeschichtungen auf nichtplanaren und asymmetrischen optischen Komponenten bereitzustellen. Die Vorteile der LPCVD-Verarbeitung werden in der Halbleiterindustrie seit langem genutzt und bieten nun neue Möglichkeiten für neuartige optische Systemdesigns. Neue Interferenzfilterbeschichtungen für Einzelwellenlänge, Dualband- und Breitband-AR, Kaltspiegel, Heißspiegel, Lang-/Kurzwellendurchlass, dichroitisch, leitfähig sind verfügbar. Die mit dem IsoDyn-Verfahren abgeschiedenen Beschichtungen sind äußerst robust und leistungsfähig in den anspruchsvollsten Betriebsumgebungen.

Dieser Artikel wurde von David McLean, Prozessingenieur Deposition Sciences, Inc. (DSI) (Santa Rosa, CA) verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn McLean unter [email protected] oder besuchen Sie www.depsci.com.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Märzausgabe 2013 des Photonics Tech Briefs Magazine.

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