H. Ehlers

Aktuelle Entwicklungen der Analyse und Kontrolle von IBS-Beschichtungsprozessen

Vakuumbeschichtung und Plasmaoberflächentechnik
14.-15. Oktober
Dresden
2015
Type: Konferenzbeitrag
Abstract
Die Ionenstrahl-Zerstäubung (Ion Beam Sputtering, IBS) hat sich als hochpräziser Prozess für die Fertigung komplexer optischer Dünnschichtfilter etabliert. Generell ist die erfolgreiche Herstellung dieser Filter von einer zuverlässigen Prozesskontrolle abhängig, die sowohl die Qualität und Präzision der Schichtsysteme als auch die Wirtschaftlichkeit des Beschichtungsprozesses in hohem Maße beeinflusst. Hierbei sind einerseits aufeinander abgestimmte Techniken und Algorithmen zur Schichtdickenkontrolle für eine exakte Endpunktdetektion unverzichtbar. Andererseits können In-situ-Monitoring-Systeme eingesetzt werden, um die Prozesse weiter zu stabilisieren und vorhandene Steuerungen durch Regelungen zu ersetzen. Anders als beispielsweise in Magnetron-Prozessen werden in IBS-Prozessen gegenwärtig im Allgemeinen materialspezifische, feste Parametersätze ohne eine In-situ-Regelung verwendet. Dem grundlegenden IBS-Prinzip folgend, lässt sich eine Unterteilung des Prozesses in die Zonen der Ionenstrahlgeneration, der Zerstäubung des Targets sowie der Schichtkondensation vornehmen. Aktuelle Forschungsansätze orientieren sich an diesen drei Aspekten und verfolgen dabei das Ziel, grundlegende Erkenntnisse zu gewinnen und diese in deutliche Prozessvorteile einer neuen adaptiven IBS-Generation für die industrielle Produktion umzusetzen. Beispielsweise soll es eine in die Prozesssteuerung implementierte Plasmadiagnostik am Ionenstrahl ermöglichen, die Quellenemission mittels neuer Regelkonzepte über lange Zeiten zu stabilisieren bzw. bei Bedarf gezielt anpassen zu können. Hinsichtlich der Targets bilden das Verständnis der Prozessgeometrie sowie das der Auswirkungen der Oberflächenerosion wichtige Ansatzpunkte für die angestrebte Prozessstabilisierung. In Abhängigkeit der Verfügbarkeit von Daten des kondensierenden Schichtmaterials sowie des Plasmas können gezielte Parameteranpassungen und eine optimale Positionierung des Substratträgers erfolgen. Neben der Analyse der Prozessgeometrie wird in diesem Zusammenhang z.B. an einer flexiblen Simulationssoftware zur prozessspezifischen Modellierung des Schichtwachstums gearbeitet. Anzustreben ist eine enge Vernetzung der Prozessregelung mit der Schichtdickenkontrolle, die heutzutage beispielsweise eine automatisierte Fehlerkorrektur (Reoptimierung) einschließen kann. Aktuelle Systeme zur optischen Schichtdickenkontrolle basieren zunehmend auf der Messung von breitbandigen Transmissions- und/oder Reflexionsspektren, die in~situ aufgenommen werden. Hierbei hat sich das direkte Monitoring durchgesetzt, bei dem die spektralen Messungen direkt an den bewegten Substraten erfolgen. In der Auswertung wird die jeweilige Schichtdicke auf der Grundlage vorgegebener Dispersionsdaten (n und k) berechnet. Jedoch müssen wichtige optische Größen, wie z.B. die GDD (Group Delay Dispersion, entscheidend für Femtosekundenlaser-Optiken), aus den fehlerbehaftet bestimmten Schichtdicken des wachsenden Schichtsystems theoretisch abgeleitet werden. Als vorteilhafte Alternative wird für den IBS-Prozess ein neuer Ansatz präsentiert, bei dem die Phaseninformation direkt in~situ gemessen und für eine verbesserte Endpunktdetektion genutzt werden kann.