Insitu-Monitoring bei der Herstellung von Dünnfilmen durch Elektronenstrahlverdampfen

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1 Insitu-Monitoring bei der Herstellung von Dünnfilmen durch Elektronenstrahlverdampfen Dipl.-Ing. Sabine Peters Universität Karlsruhe (TH) Herstellung von Dünnfilmen durch Elektronenstrahlverdampfen Rezipient Druck ca. 1 x 10-6 mbar (vgl. Raumdruck: 1 bar), das mit einem Dünnfilm beschichtet werden soll. Durch einen Elektronenstrahl wird dem Material im Liner Energie zugeführt. Das Material schmilzt, verdampft nach oben hin und bildet einen dünnen Film auf der oberfläche. Das Material wird dabei lokal ca C warm. Der Liner wird währenddessen mit einer Wasserkühlung gekühlt, damit die Anlage nicht mitschmilzt. 2

2 Herstellung von Dünnfilmen durch Elektronenstrahlverdampfen Rezipient Druck ca. 1 x 10-6 mbar (vgl. Raumdruck: 1 bar), das mit einem Dünnfilm beschichtet werden soll. Durch einen Elektronenstrahl wird dem Material im Liner Energie zugeführt. Das Material schmilzt, verdampft nach oben hin und bildet einen dünnen Film auf der oberfläche. Das Material wird dabei lokal ca C warm. Der Liner wird währenddessen mit einer Wasserkühlung gekühlt, damit die Anlage nicht mitschmilzt. 3 Präzision der aufgedampften Schichtdicken Schichten, die mit dem Elektronenstrahlverdampfen hergestellt werden sind z.b. 170 nm Tantalpentoxid (Ta 2, n = 2,2) und 260 nm Siliziumdioxid (SiO 2, n = 1,45). Beschichtet man das nacheinander immer wieder mit diesen zwei Schichten, dann erhält man einen dielektrischen Spiegel für die Wellenlänge 500 nm: λ = 500 nm Transparenter, dielektrischer Spiegel aus SiO 2 und Ta 2 Glassubstrat Die Dicke der einzelnen Schichten muss genau passen, sonst reflektiert der Spiegel nicht die gewünschte Wellenlänge! 4

3 Bestimmung der Schichtdicke durch Messung der Transmission Dünnfilmfilter auf einem Glassubstrat Glasfaser Wenn wir das Transmissionsspektrum bereits während der Herstellung messen, dann können wir damit die aufgedampfte Schichtdicke kontrollieren! 5 Insitu-Monitoring der Schichtdicke während dem Aufdampfen Aufbau: Das Weißlicht wird über eine Kollimatorlinse in eine Glasfaser eingekoppelt. 6

4 Insitu-Monitoring der Schichtdicke während dem Aufdampfen Aufbau: Das Weißlicht wird über Kollimatorlinsen in eine Glasfaser eingekoppelt. Die Glasfaser leitet das Licht in den evakuierten Rezipienten und auf das. 7 Insitu-Monitoring der Schichtdicke während dem Aufdampfen Aufbau: Das Weißlicht wird über Kollimatorlinsen in eine Glasfaser eingekoppelt. Die Glasfaser leitet das Licht in den evakuierten Rezipienten und auf das. Hinter dem wird das transmittierte Licht wieder in eine Glas- Faser eingekoppelt und zum geleitet. 8

5 Insitu-Monitoring der Schichtdicke während dem Aufdampfen Auswertung: z.b. jede Sekunde wird ein Transmissionsspektrum der Schicht aufgenommen. Das Spektrum wird mit dem berechneten Soll-Spektrum der gewünschten Schicht verglichen. Wenn das Soll-Spektrum erreicht ist, wird das Aufdampfen beendet. 9 Beispiel für insitu-monitoring Minimum Maximum Transmission Wellenlänge in nm Anmerkung: Wenn kein Polarisationsfilter verwendet wird, erhält man eine Überlagerung der Transmissionsspektren von TM- und TE-polarisiertem Licht. 10

6 Zusammenfassung Durch Elektronenstrahlverdampfen kann ein mit einer sehr dünnen Schicht (z.b. 150 nm) von SiO 2, Ta 2, Silber etc. beschichtet werden. Für die Herstellung von dielektrischen Filter aus SiO 2 und Ta 2 ist es sehr wichtig, das die Dicke der hergestellten Schichten genau stimmt. Aufdampfanlage mit insitu-monitoringsystem: 11 Zusammenfassung Deshalb messen wir während dem Aufdampfen das Transmissionsspektrum der Probe. Das Transmissionsspektrum ändert sich, wenn sich die Dicke der Schicht ändert. Vergleicht man das gemessene Spektrum mit dem berechneten Spektrum der gewünschten Schichtdicke, kann man damit die aufgedampfte Schichtdicke genau kontrollieren. Minimum Maximum Beispiel für den Vergleich von gemessenem und berechnetem Transmissionsspektrum: Transmission Wellenlänge in nm 12

7 - Quelle 13