Beschreibung Die Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet optischer Substrate sowie Vorrichtungen und Verfahren zu deren Herstellung sowie im speziellen ein optisches Substrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung optischer Substrate gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17 sowie eine Vorrichtung zum Aufbringen optischer Schichten auf einem Substrat zur Durchführung des Verfahrens.

Mit dem Einzug optischer Signalverarbeitungs-und Übertragungstechniken auf vielen Ebenen, wie beispielsweise bei der Übertragung hoher Datenraten auf interkontinentalen oder Fernvermittlungsstrecken sowie in lokalen und Netzen mit mittleren Reichweiten, entsteht ein stetig wachsender Bedarf an optischen Einrichtungen zur Beeinflussung und Steuerung der Ausbreitung des die Information tragenden Lichtes.

Ein wichtiger Grundbaustein der optischen Signalverarbeitungs-und Übertragungstechnik ist das optische Substrat, welches in der Regel aus einem mit hoher Oberflächengüte bearbeiteten Träger besteht, der selbst auch als Substrat bezeichnet wird und welcher bei seiner Verwendung in Transmission im verwendeten Wellenlängenbereich

möglichst wenig Absorption aufweist. Auf einem derartigen Substrat sind meistens ein oder mehrere optische Schichten aufgebracht, welche je nach Anwendungsfall von einfacher Reflexionsminderung mit einigen wenigen Schichten bis hin zu schmalbandigen Filtern mit mehr als hundert Schichten umfassenden Systemen reichen. Zur Vermeidung von Verlusten sollen diese Schichten möglichst geringe Absorption sowie eine hohe Oberflächenqualität mit möglichst wenig Streuzentren bieten.

Zur Herstellung interferenzoptischer Schichten, welche durch Brechungsindexänderungen eine Mehrstrahlinterferenz des reflektierten und/oder transmittierten Lichtes bewirken, ist es bekannt, Sputterverfahren, wie beispielsweise das APS- Verfahren zu verwenden. Nachteilig ist in diesem Verfahren jedoch, dass dabei die Verwendung von Materialien, welche eine vollständige Schmelze bilden, häufig schwierig ist, da ein direktes Verspritzen dieser Materialien im Rezipienten mögliche Aufdampfraten begrenzt. Ferner liegen häufig Spezies, wie beispielsweise Niob, in der aufgetragenen Schicht nicht mehr stöchiometrisch vor, da aufgrund des bei diesem Verfahren nötigen niedrigen Vakuums Reaktionspartner, wie beispielsweise Sauerstoff, nicht in ausreichender Menge zugeführt werden können. Hierdurch werden äußerst zeitaufwendige Nachoxydationsschritte, Temperungen, erforderlich, welche die Kostensituation stark beeinträchtigen. Ohne derartige Nachbearbeitungsschritte machen aber bleibende Absorptionszentren eine Verwendung dieser Substrate häufig unmöglich. Ferner ist bereits die Prozeßgeschwindigkeit des APS-Verfahrens bei optischen Mehrstrahl-Interferenzsubstraten, beispielsweise bei einem DWDM-Substrat so langsam, dass mehr als 16 Stunden vergehen, bis eine Charge verarbeitet ist und deren Qualität

überprüfbar wird. Hierdurch gestalten sich Regelungs-und Nachführungsvorgänge zur Optimierung des Verfahrens ebenfalls äußerst zeitaufwendig.

Ein besonders drastischer Nachteil besteht ferner auch in den hohen mechanischen Spannungen, welche durch den Schichtauftrag beim APS-Verfahren in der Oberfläche des Substrates erzeugt werden. Um überhaupt zu wirtschaftlich vernünftigen Ausbeuten zu gelangen, wird die Verwendung von Substraten mit mehr als 10 mm Substratdicke nötig, welche nach dem Aufbringen der Oberflächenbeschichtung rückseitig auf deren spätere Enddicke von 1 bis 2 mm nachbearbeitet werden müssen. Hierdurch wird nicht nur das aufgebrachte Schichtsystem gefährdet sondern werden weitere Störquellen geschaffen, wie beispielsweise unerwünschte Keilwinkel zwischen den Substratoberflächen.

Die nachveröffentlichte PCT-Anmeldung PCT/EP 00/06518 regt zwar an, zum Aufbau interferenzoptischer Schichtsysteme ein Plasma-Induziertes-CVD-Verfahren zu verwenden, jedoch werden keinerlei Angaben zu den verwendbaren Materialien sowie zu den sich hieraus ergebenden mechanischen und hygroskopischen Eigenschaften gemacht.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es folglich, optische Substrate weniger zeitaufwendig zu fertigen können, wobei diese Substrate vorzugsweise deutlich niedrigere Oberflächenverspannungen zeigen sollen. Darüber hinaus ist es wünschenswert, ein Substrat während des gesamten Verfahrensablaufs mit im wesentlichen Endabmessungen bearbeiten zu können, um nachträgliche Schädigungen des Schichtsystems sowie zusätzliche Störquellen von Anfang an auszuschließen. Ferner besteht der Wunsch, Materialien mit

hohem Brechungsindex, wie beispielsweise Niob und das zugehörige, in die optische Schicht eingebrachte Nb, O, verwenden zu können, um das Design optischer Schichten sowie die Effektivität der Filterwirkung der optischen Substrate zu unterstützen.

Die Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise bereits mit einem optischen Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 sowie einer Herstellungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 33 gelöst.

Mit großer Überraschung haben die Erfinder festgestellt, dass die Anwesenheit von Halogenatomen oder-verbindungen in den optischen Schichten des Substrates scheinbar zu einer deutlichen Verminderung von Oberflächenspannungen führt.

Obwohl bis dato der Einbau von Halogenatomen oder- verbindungen in optische Schichten als stark unerwünscht galt, weil hierdurch derartige Schichten dazu neigen, hygroskopische Eigenschaften zu entwickeln und folglich durch die Einlagerung von Flüssigkeit weniger haltbar werden.

Ferner wurde auch angenommen, dass eine derartige Einlagerung von Flüssigkeit, welche insbesondere beim Wasser mit dem Eintrag zusätzlicher Absorptionsbanden einhergeht, bei optischen Substraten sehr nachteilig sein kann.

Die vorliegende Erfindung weist jedoch nach, dass Halogenatome oder-verbindungen, soweit diese unterhalb bestimmter Grenzen bleiben, sehr vorteilhaft sind. Es wird davon ausgegangen, dass während des Auftrags der Schichtung Halogenradikale dafür sorgen, dass eine erhöhte Mobilität der aufzutragenden Spezies an der Substratoberfläche oder an bereits auf das Substrat aufgebrachten Schichten vorliegt,

welche dazu führt, dass die abgeschiedene Spezies nach deren Auftreffen auf die Oberfläche sich noch zu einem energetisch günstigen Punkt bewegen kann. Dies bedeutet in Bezug auf die aufzutragende Schicht in einen Bereich migrieren kann, der weniger Spannungen oder Verspannungen in der Oberfläche erzeugt.

Ferner zeigen vergleichbare optische Schichten dann, wenn ein bestimmter Anteil an Halogenatomen oder -verbindungen vorliegt, im Vergleich eine höhere optische Dichte, welches darauf zurückgeführt wird, dass aufgrund der erhöhten Oberflächenmigration verbleibende Freistellen besser mit der aufzutragenden Spezies besetzt werden.

In vorteilhafter Weise beträgt der Anteil der Halogenatome oder des Halogens in der Halogenverbindung in der auf dem Substrat aufgebrachten Schicht nicht mehr als 5 Gewichtsprozent bezogen auf das Material der Schicht und in besonders vorteilhafter Weise liegt dieser Anteil unterhalb von einem Gewichtsprozent. Interferenzschichten die derart auf einem optischen Mehrfach-Interferenzsubstrat aufgebracht wurden, zeigen sehr geringe mechanische Verspannungen und somit nahezu keine spannungsinduzierte Doppelbrechung sowie hohe Homogenität und hohe optische Dichte bei geringer Absorption.

Als sehr vorteilhafte Partner haben sich für die aufzudampfende Spezies Tantal und Niob herausgestellt, welche vorzugsweise in stöchiometrischem oxidischem Verhältnis Nib205 bzw. Ta, Oa bscheidbar sind.

Im Falle des Niobs war der hohe Brechungsindex sowie die hierdurch erzeugbaren hohen Brechungsindexänderungen in

Schichtsystemen von großem Vorteil für das Schichtdesign.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Vorteile ließen sich in zügiger Weise sowie bei hoher optischer Qualität optische Mehrfachinterferenz-Substrate als optische Kantenfilter, Bandpaßfilter, Gain-Flattening-Filter und WDM- (Wavelenght- Division-Multiplex)-Filter, insbesondere als DWDM- (Dense- Wavelenght-Division-Multiplex)-Filter realisieren.

Als Verfahren zur Herstellung derartiger optischer Substrate fand in bevorzugter Weise ein plasmaunterstütztes PACVD- (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition)-Verfahren Verwendung, welches in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein PECVD- (Plasma Enhaced Chemical Vapor Deposition)-Verfahren und in der am meisten bevorzugten Ausführungsform ein Plasma-Impuls-CVD-Verfahren war, bei welchem Precursorgase mit einer Halogenverbindung Verwendung fanden.

Bevorzugte Verfahrensparameter waren hierbei ein Druck von 0,05 bis 10 mbar, eine Substrattemperatur von etwa 100 bis 600 °C, eine NbCls-Konzentration von 0,1 bis 50 % im Precursorgas, eine HMDS- (Hexadimethlydisiloxan)-Konzentration von 0, 1. bis 50 % im Precursorgas, eine mittlere Mikrowellenleistung von 0,01 bis 20 kW und ein Gasfluß von 50 bis 10 000 sccm.

Ein besonders bevorzugtes Feld von Verfahrensparametern umfaßte einen Druck von 0,01 bis 1 mbar, eine Substrattemperatur von etwa 150 bis 300 °C, eine NbCls- Konzentration von 0,2 bis 5 % im Precursorgas, eine HMDSO- (Hexadimethlydisiloxan)-Konzentration von 0,25 bis 15 % im Precursorgas, eine mittlere Mikrowellenleistung von 0,1 bis 5 kW und einen Gasfluß von 100 bis 2000 sccm.

Die am meisten bevorzugte Ausführungsform bei der Durchführung des Verfahrens wurde betrieben bei einem Druck von etwa 0,2 mbar +/-10 %, einer Substrattemperatur von etwa 200 °C +/-10 %, einer NbCls-Konzentration von etwa 2 % +/- 10 % im Precursorgas, einer HMDSO- (Hexadimethlydisiloxan)- Konzentration von etwa 3 % +/-10 % im Precursorgas, einer mittleren Mikrowellenleistung von etwa 0,5 kW +/-10 % und mit einem Gasfluß von ungefähr 500 sccm +/-10 %.

Mit den vorstehend beschriebenen Parametersätzen war es möglich, die Prozeßgeschwindigkeit gegenüber dem APS- Verfahren von 16 Stunden auf weniger als 1,5 Stunden beim PICVD-Verfahren abzusenken, so dass eine schnellere Steuerbarkeit und ein hierdurch bewirkter niedrigerer Ausschuß ermöglicht wurde.

Ferner wurde in besonders vorteilhafter Weise die Abscheidung direkt auf Substrate mit im wesentlichen Endformatdicke, vorgenommen. Die einzige Schichtdickenändeung bestand in der Dickenzunahme aufgrund der Abscheidung der optischen Substrate. Diese Substrate hatten bereits den für deren späteren Einsatz erwünschten Keilwinkel und waren im wesentlichen frei von zusätzlichen mechanischen Störungen.

Ein weiterer besonders für die Reproduzierbarkeit des Verfahrens wichtiger Vorteil besteht beim PICVD-Verfahren auch darin, dass durch die Zuführung geeigneter Precursorgase ein Öffnen des Rezipienten während des Herstellungsvorgangs, wie beispielsweise beim APS-Verfahren zur Auffüllung oder Änderung von Target-Materialien entfällt.

Die Erfindung wird nachfolgend detaillierter und unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen sowie anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer PECVD- Vorrichtung mit deren Hauptbaugruppen, Fig. 2 einen schematisch dargestellten Ausschnitt aus dieser Vorrichtung im Bereich des Rezipienten sowie der Mikrowellenerzeuger, Fig. 3 eine schematische Seitenansicht des Rezipienten sowie Fig. 4 eine schematische Darstellung der räumlichen Ausbildung des Mikrowellenplasmas innerhalb des Rezipienten in einer Frontansicht, Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines optischen Substrats mit einer Vielzahl interferenzoptischer Schichten.

Nachfolgend wird zunächst eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Aufbringen optischer Schichten beschrieben und auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher eine schematische Darstellung der Hauptbaugruppen dieser Vorrichtung gezeigt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen Rezipienten in Form einer evakuierbaren Kammer 1, in welcher ein Substrathalter 2 angeordnet ist, an dem ein in Fig. 5 detaillierter im Querschnitt dargestelltes optisches Substrat 3 mit dessen Rückseite 4 befestigbar ist.

Über einen Einlag 5, welcher mit dem zugehörigen Leitungssystem eine Zuführeinrichtung für Prozessgase bildet,

ist der Rezipient 1 mit einem Hochtemperatur- (HAT)- Gaserzeuger 6 verbunden, welcher wiederum von einem Niedrigtemperatur- (NT)-Gaserzeuger 7 gespeist wird und derart Prozeß-Vorläufer-oder Precursorgase dem Rezipienten 1 zuführt.

Ferner ist der Rezipient 1 über einen Auslaß 8 und ein Leitungssystem, welche eine Abführeinrichtung für das Abführen von Prozessgasen bilden, mit einem Pumpstand 9 verbunden, der sowohl Vor-als auch Hauptvakuumpumpen umfaßt, um im Rezipienten 1 selbst bei Zuführung von Precursor-oder Spülgasen einen Druck von 0,05 bis 10 mbar stabil und einstellbar aufrecht erhalten zu können.

Der Pumpstand 9 kann mehrere Roots-Pumpen oder andere geeignete Pumpsysteme zur Erzeugung des entsprechenden Vakuums umfassen.

Die aus dem Rezipient 1 abgepumpten Gase werden vom Pumpstand 9 an einen Wäscher weitergeführt, um Umweltbelastungen so gering wie möglich zu halten.

Über Fenster, welche im Gehäuse des Rezipienten 1 druckdicht angeordnet sind, werden ein Monitorring-Detektor 10 sowie eine Monitorring-Lichtquelle 11, welche eine optische Überwachungseinrichtung bilden, mit dem Rezipienten 1 derart verbunden, dass von der Monitorring-Lichtquelle 11 emittiertes Licht durch das optische Substrat 3 sowie eine Öffnung 12 im Substrathalter 2 hindurch tritt und zum Monitorring-Detektor 10 gelangt, welcher bei Verwendung von monochromatischem Licht mit fortschreitendem Schichtwachstum auf dem Substrat 3 Intensitätsänderungen des transmittierten Lichtes erfaßt, und auf diese Weise eine Steuerung des

Schichtdickenwachstums ermöglicht.

Nachfolgend wird auf Fig. 2 Bezug genommen, welche einen schematisch dargestellten Ausschnitt aus im Bereich des Rezipienten 1 sowie der Mikrowellenerzeuger zeigt und welcher eine Substratheizung 12 zu entnehmen ist, die entweder Teil des Substrathalters 2 bildet oder an diesem derart angeordnet ist, dass sich hierdurch die Temperatur des Substrats steuern läßt, und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 100 bis 600 °C einstellbar auf einen in diesem Intervall liegenden Wert stabilisieren läßt.

Seitlich des Substrathalters 2 sind jeweils Mikrowellenquellen 13,14 angeordnet, welche jeweils ein eigenes Mikrowellenfeld erzeugt, das teilweise in den Rezipienten 1 hineinragt, wie dies der schematischen Frontansicht aus Fig. 4 mit den das Mikrowellenfeld berandenden Linien 15 und 16 zu entnehmen ist. Diese Linien beschreiben in etwa einen Feldabfall des Mikrowellenfeldes auf einen Wert, unterhalb dessen in Abhängigkeit von den weiteren Verfahrensparametern eine plasmainduzierte Reaktion nicht mehr zu erwarten ist. Um jedoch die Mikrowellenenergie in die evakuierbare Kammer 1 einspeisen zu können, weist diese seitliche, mikrowellendurchlässige Fenster 17,18 auf.

Die schematische Seitenansicht der Fig. 3 zeigt die Lage des linksseitigen Mikrowellenfensters 17 relativ zur Einlaßdüse 19 des Einlaß 5 sowie in Bezug auf den Substrathalter 2 und das optische Substrat 3.

Nachfolgend wird die Herstellung eines optischen Substrats 3 anhand bevorzugter Verfahrensabläufe beschrieben.

Es wird zunächst ein optisches Substrat 4 mit im wesentlichen seiner späteren Verwendungsdicke am Substrathalter 2 befestigt. Das Ausgangssubstrat hat in der Regel einen aus Glas oder Quarzglas bestehenden Grundkörper 20, an welchem die optischen Schichten 21 bis 29 eines optischen Schichtsystems nacheinander aufgetragen werden.

Die zu beschichtende Oberfläche des Substrats hat in bevorzugter Weise Restunebenheiten oder Rauhigkeiten, die bezogen auf deren Rauhtiefe kleiner sind als die Wellenlänge der später verwendeten Strahlung, dies bedeutet vorzugsweise kleiner sind als 1,5 oder 1,0 ym. In besonders bevorzugter Weise sind derartige Rauhtiefen kleiner als 1/10 bzw. 1/20 der verwendeten Wellenlänge und somit kleiner als 0,15 bzw.

0,075 Am. Noch geringere Rauhtiefen sind ebenfalls verwendbar und zeigen Vorteile in Bezug auf das Streuverhalten und die Qualität der aufgetragenen Schichten.

Je nach Schichtdesign haben einander benachbarte Schichten jeweils einen anderen Brechungsindex, um derart zu einer definierten Phasenverschiebung der Wellenfronten sowie einer definierten Reflexion am Brechungsindexübergang zu gelangen.

Nach Befestigung des Substrats 3 am Substrathalter 2 wird der Rezipient abgepumpt und dann mit den Prozeßgasen beschickt.

In erfindungsgemäßer Weise werden als Precursorgase Halogenide enthaltende Prozeßgase und vorzugsweise HMDSO, Hexadimethyldisiloxan in einer Konzentration von 0,1 bis 50 %, in bevorzugter Weise von 0,25 bis 15 % und in der am meisten bevorzugten Ausführungsform in einer Konzentration von etwa 3 % +/-10 % verwendet.

Hierdurch bildet sich in der evakuierbaren Kammer 1 nach Zuführung der Prozeßgase ein durch Mikrowellen zündfähiges Plasma, welches durch die zeitliche Dauer des Mikrowellenfeldes sowie die zugeführte Menge an reagierendem Prozeßgas die jeweilige Menge der Abscheidung auf dem Grundkörper 20 sowie Bildung einer Schicht 21 bis 29 definiert.

Bei einer Verwendung von NbCls als Precursorgas ist eine NbCls-Konzentration von 0,1 bis 50 % verwendbar, jedoch wird eine Konzentration von 0,2 bis 5 % bevorzugt und eine Konzentration von 2 % +/-10 % am meisten bevorzugt.

Die in die evakuierbare Kammer 1 eingestrahlte Mikrowellenleistung hat eine verwenbare mittlere Leistung von 0,01 bis 20 kW und in einer bevorzugten Ausführungsform 0,1 bis 5 kW jedoch bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform eine Mikrowellenleistung von etwa 0,5 kW +/- 10 %.

Die Precursorgasflüsse sind in einem Bereich von 50 bis 10000 sccm einstellbar und betragen bei einer bevorzugten Version des Verfahrens 100 bis 2000 sccm jedoch bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform 500 sccm +/-10 %.

Anstelle des Chlors sind im Vorläufergas ferner Fluor, Brom und/oder Jod oder eine Mischung aus diesen Halogenen in entsprechenden Mengenverhältnissen verwendbar.

Hierbei werden die Verfahrensparameter jedoch derart eingestellt, dass der Anteil der Halogenatome oder des Halogens in der Halogenverbindung welche in einer der Schichten 21 bis 29 auf dem Substrat 20 aufgebracht wird,

nicht mehr als 5 Gewichtsprozent und bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform nicht mehr als 1 Gewichtsprozent beträgt.

Anstelle des Niobs ist auch Tantal verwendbar. Darüber hinaus ist für verschiedene Schichten auch jeweils für eine erste Schicht Niob und für eine zweite Schicht Tantal je nach entsprechendem Schichtdesign verwendbar, so dass in diesen Schichten jeweils Nioboxyd Nb2Osund Tantalloxyd Ta205 in vorzugsweise stöchiometrischem Verhältnis mit relativ geringer Absorption und geringer Anzahl an Streuzentren bildet.

Durch geeignete Wahl des Schichtdesigns der Schichten 21 bis 29, deren Anzahl in Fig. 5 lediglich beispielhaft mit 9 Schichten angegeben wurde, können als optische Substrate Kantenfilter, Bandpaßfilter, Gain-Flattening-Filter und WDM- (Wavelenght Division Multiplex)-Filter und insbesondere DWDM- (Dense Wavelenght Division Multiplex)-Filter mit hoher optischer Güte hergestellt werden.

Obwohl die Erfindung anhand eines plasmainduzierten CVD- Verfahrens beschrieben wurde, ist diese darauf nicht beschränkt und kann vorteilhaft mit plasmaunterstützen PACVD- (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition)-Verfahren sowie PECVD- (Plasma Enhaced Chemical Vapor Deposition)-Verfahren durchgeführt werden.

Ferner wird angenommen, dass der als vorteilhaft erkannte Einbau von Halogenatomen oder Halogenverbindungen nicht auf die dargestellten chemischen Abscheidungsverfahren beschränkt sondern auch in anderen Auftragsverfahren feststellbar ist.