Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik

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1 Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik WTT-CHost Workshop EMPA Dübendorf, 28. Juni 2006 Dr. Markus Michler, -NTB Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 1

2 Inhaltsübersicht Einführung: optische Dünnschichten Das Konzept metallischer Reflektoren Das Konzept von Multilayerspiegeln Beschichtungstechnologie für Multilayer-Schichtsysteme Anwendungsbeispiele: Schmalbandfilter für Telekomanwendungen Spiegelbeschichtungen für UV-Laserlicht Metallische Multilayer-Spiegel für künftige Lithographieverfahren Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 2

3 Einführung: optische DünnschichtenD Dünne Schichten in der Optik seit etwa 1850 (Metallschichten als Reflektoren) 1899 Fabry-Perot Interferometer Atmosphärische Korrosion von Linsenoberflächen Transmissionserhöhung! Dünnschichtinterferenz AR Beschichtungen (Lord Rayleigh) Erste Anwendungen beschichteter Bauteile: beschichtete Linsen und Spiegel für: Kameras, Teleskope, Mikroskope, Brillen, Weitere Anwendungen: dielektrische Spiegel, optische Filter, selektive Absorber, Moderne Anwendungen : Laser Spiegel, AR für Solarzellen, Telekom Schmalbandfilter, Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 3

4 Das Konzept metallischer Reflektoren Optische Eigenschaften metallischer Schichten Zur Erinnerung: 400nm N = n ik Für Metalle gilt: n << k Reflektivität R: R = 2 2 ( n0 n) + k 2 2 ( n + n) + k 0 10µm dominiert durch k!! Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 4

5 Das Konzept metallischer Reflektoren Spektrales Verhalten metallischer Spiegel: UV Au, Ag, Cu: keine UV-Reflektivität Al: Guter UV Reflektor Grün wird absorbiert Goldene Farbe (ähnlich Cu) Vorteile: Kaum Richtungsabhängigkeit bei Metallen Sehr breitbandig Nachteile: Kaum UV-Reflexion Keine Schmalbandfilter Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 5

6 Das Konzept metallischer Reflektoren Wachstum metallischer Schichten Chrom: <10nm nm >200nm Optoelektronik Self assembled Quantum dots Nanooptik Kantenfilter Tönungsbeschichtungen, thermische Isolation Transparente Elektrode Standard Spiegelbeschichtungen Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 6

7 Das Konzept von Multilayerspiegeln Dielektrische Dünnschichten Eingesetzte Materialklassen: Fluorides: MgF 2, CeF 3 Oxides: Al 2 O 3, TiO 2, SiO 2 Sulfides: ZnS, CdS, Wichtiges Merkmal: niedrige Absorption (<10-3 /cm) in einem gewissen Spektralbereich N = n k 0 Compounds: ZnSe, ZnTe, Für Dielektrika gilt: Reflektivität R: n >> k 2 ( n0 n) R ( n + n) 2 = dominiert durch Δn!! 0 Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 7

8 Das Konzept von Multilayerspiegeln Einflussfaktoren auf die Brechzahl Dielektrische Schichten (SiO 2, TiO 2, ) wachsen bevorzugt amorph / polykristallin Brechzahl n ist unabhängig von der Richtung In kristallinen Systemen (dielektrischen Kristallen (z.b. LiNbO 3 )) Brechzahl n ist am höchsten in Richtung der grössten Packungsdichte Allgemein steigt die Brechzahl mit der Dichte und ist damit stark strukturabhängig Amorphes SiO 2 (Quarzglas) n Quarzglas =1.46 Kristallines SiO 2 (Quarzit) n Quarzit =1.49 Kristallines SiO 2, (Quarz) n Quarz =1.55 Die Brechzahl ändert sich mit der Materialdicke Im Allgemeinen gilt: n Bulk > n Thick film > n Thin Film Beachte: Beschichtungsprozess Struktur der Dünnschicht Brechzahl Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 8

9 Das Konzept von Multilayerspiegeln Einsatzgebiete und Brechzahlen wichtiger Dielektrika Fluoride UV & VIS Oxide VIS & IR C... kristallin (polykristallin) A... amorph Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 9

10 Das Konzept von Multilayerspiegeln Dünnschichtinterferenz an λ/4-schichten destruktive Interferenz konstruktive Interferenz ΔΦ= π-2π = -π ΔΦ= π-π = 0 Luft λ/4 n 1 n 1 n 2 <n 1 n 1 <n 2 n 2 Phasensprung: π Phasensprung: π Phasensprung: 0 Luft n 2 λ/4 Hochbrechende λ/4-schicht AR-Schichten Niederbrechende λ/4-schicht Spiegel-Schichten Phase π Phasensprung π Phasensprung 0 optischer Weg von 2x λ/4= λ/2 entspricht π Reflexion am festen Ende (an höherem Index) Reflexion am offenen Ende (an niedrigerem Index) Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 10

11 Das Konzept von Multilayerspiegeln Dielektrische Multilayerspiegel Voraussetzungen: zwei Materialien Hochindexmaterial (H) mit n H (z.b. Nb 2 O 5 mit n=2.25) Niederindexmaterial (L) mit n L (z.b. SiO 2 mit n=1.46) m Schichtpaare Luft(n 0 ) - HLHLHLHLHLHLHLHL Subst(n s ) R λ 4 m+ 1 n H n0 m 1 nl ns = m+ 1 nh n0 + m 1 nl n s Beispiel: n 0 =1, n H =2.25, n L =1.46, n s =1,5 m=10: R=98.2% m=20: R=99.998% 2 m m-1 m-2. Vorteile: Sehr hohe Reflexionen Schmalbandfilter Grosse Designfreiheit Nachteile: Starke Richtungsabhängigkeit dicke Schichtpakete Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 11

12 Beschichtungstechnologie für f Multilayer-Schichtsysteme Die OPTIMA Beschichtungsanlage Hochpräzise dielektrische Schichten durch Ionen-unterstütztes Sputtern Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 12

13 Beschichtungstechnologie für f Multilayer-Schichtsysteme Der OPTIMA Beschichtungsprozess Sputtern eines Metalls durch eine Blende Blende Oxidationszone Oxidation mittels Ionenquelle Rotierendes Substrat Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 13

14 Beschichtungstechnologie für f Multilayer-Schichtsysteme Der Beschichtungsvorgang Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 14

15 Anwendungsbeispiele: Einleitung Spiegel für unterschiedliche Spektralbereiche EUV Spiegel für die Lithographie Laserspiegel für 248nm DWDM Filter für optische Datenkommunikation Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 15

16 Anwendungsbeispiele: Schmalbandfilter für f r Telekom-Anwendungen Viele Datenkanäle auf einer Faser Das DWDM Konzept D e n s e W a v e l e n g t h D i v i s i o n M ul t i p l e xi n g Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 16

17 Anwendungsbeispiele: Schmalbandfilter für f r Telekom-Anwendungen Multiplexing mit DWDM-Filtern Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 17

18 Anwendungsbeispiele: Schmalbandfilter für f r Telekom-Anwendungen Einkavitäten-Filter in Dünnschichttechnik Zwei Materialien hoch brechendes Material: Nb 2 O 5 n=2.25 d Nb2O5 ~180nm nieder brechendes Material: SiO 2 n=1.46 d SiO2 ~270nm 0 30 λ/4-schichten!! -2-4 Spiegel Spiegel Einkavitäten- Filter Transmission [db] nm -16 Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite Wellenlänge [nm]

19 Anwendungsbeispiele: Schmalbandfilter für f r Telekom-Anwendungen Vierkavitäten-Filter für DWDM Anwendungen Vierkavitäten-Filter 120 λ/4-schichten 36h Beschichtungszeit Stapeldicken ~50µm Prozessstabilität Schichtuniformität Schichtdickenkontrolle Transmission [db] nm Wellenlänge [nm] Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 19

20 Anwendungsbeispiele: Spiegelbeschichtungen für f r UV-Laserlicht Anwendungen von UV-Lasern Excimerlaser für die Lithographie: Excimerlaser für die Materialbearbeitung (kalte Ablation): z.b. Mikromaterialbearbeitung von Kunststoffen Laserbearbeitung von Gewebe (Laserskalpell) Ablation von Hornhautgewebe (Korrektur von Fehlsichtigkeit) Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 20

21 Anwendungsbeispiele: Spiegelbeschichtungen für f r UV-Laserlicht Spiegelschichten für 248nm (KrF-Laser) Schichtmaterialien für SiO 2 Siliziudioxid n=1.48 HfO 2 Hafniumoxid n=2.25 Hochindex Materialien Al 2 O 3 Aluminiumoxid n=1.68 Gute Dämpfungswerte im UV-Bereich Spiegeldesign: QW-Design 18(HL) H 2L - optimiertes Design (d Stapel ~1.5µm) SiO 2 Al 2 O 3 (L) (d SiO2 ~ 42nm) (H) (d Al2O3 ~37nm) Spiegel Spezifikationen: R > 248nm Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 21 Reflection [%] UV mirror for 248nm Wavelength [nm] Reflection

22 Anwendungsbeispiele: Metallische Multilayerspiegel (EUV-Lithographie) EUV Lithographie Kleinste mögliche Strukturgrössen bei etwa 35nm EUV Exposure Demo-Tool Extrem UV Lithographie Wellenlänge 13,5nm Hochvakuumsystem Rein reflektive Optik Bis zu 7 Reflexionen R~65% (75% theoretisch) Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 22

23 Anwendungsbeispiele: Metallische Multilayerspiegel (EUV-Lithographie) Spiegelbeschichtungen für 13.5 nm EUV Reflektivitätsmessung am Synchrotron (z.b. Bessy II in Berlin) Metallische Multilayer künstliche Gitter Schichtsysteme aus Mo & Si (Metalle) 42 Mo (high Z) Material; 14 Si (low Z) Material d Si =4nm; d Mo =3nm d Si+Mo ~ 7nm Spiegel: 50 x Mo/Si max. 75% Reflektivität Wellenlänge in nm Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 23

24 Anwendungsbeispiele: Metallische Multilayerspiegel (EUV-Lithographie) Mo/Si Multilayer in Sputtertechnik - Charakterisierung Übergitterperiode (7nm) Gesamtstapeldicke (70nm) 10x Si/Mo Teilkristalline Bereiche des Molybdän 7nm TEM Bild an Mo/Si Multilayern XRR-Messung eines 10 x Mo/Si Multilayers MoSi & SiMo Interlayer Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 24

25 Zusammenfassung - Spiegelsysteme in DünnschichttechnikD Metallische Spiegel Einzelschichten (+Schutzschicht) Breiter Spektralbereich (UV, VIS, IR) R maximal 96-98% Schichtdicken >100nm Für teildurchlässige Spiegel (d<100nm) Dielektrische Spiegel λ/4-schichten von H & L Materialien Mehrschichtsysteme (Multilayer) R steigt mit der Anzahl Schichtpaare R > % möglich Laserspiegel Schmalbandig & winkelabhängig Grosse Designfreiheit Schichtdicken je nach Designwellenlänge (IR: d~200nm; UV: d~40nm; EUV: d~3-5nm); Dr. Markus Michler Spiegelbeschichtungen in Dünnschichttechnik Dübendorf, 28.Juni 2006 Seite 25