Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems , welches aus einer Viel zahl von Schichten besteht .

Die Erfindung betri f ft ebenfalls ein optisches Schichtsystem, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird und eine Viel zahl von Schichten umfasst , die auf einem Substrat angeordnet sind, wobei ein Teil der Schichten einen hohen Brechungsindex n _H und ein anderer Teil der Schichten einen niedrigen Brechungsindex n _L sowie ein weiterer Teil der Schichten einen mittleren Brechungsindex n _M aufweisen, wobei n _H > n _M > n _L ist und wobei die Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindices abwechselnd gestapelten angeordnet sind .

Üblicherweise werden optische Schichtsysteme , insbesondere optische Filter, z . B . Bandpass filter für Time-of-Flight ( ToF) Spectroscopy für Gesichts- oder Gestenerkennung oder LIDAR für optische Abstands- und Geschwindigkeitsmessungen, für den Nahen Infrarot- (NIR) oder Infrarot- ( IR) Bereich aus zwei unterschiedlichen optischen Materialien gefertigt . Diese bestehen beispielsweise aus a-Si : H als hochbrechendes Material und SiCh als niedrigbrechendes Material .

In einem typischen Gestenerkennungssystem sendet eine Lichtquelle nahes Infrarotlicht an einen Benutzer aus . Ein Bildsensor erfasst das vom Benutzer reflektierte emittierte Licht , um ein 3D-Bild des Benutzers bereitzustellen . Ein Verarbeitungssystem analysiert dann das 3D-Bild, um eine vom Benutzer gemachte Geste zu erkennen . Ein optisches Filter, im Speziellen ein Bandpass filter, wird verwendet , um das emittierte Licht zum Bildsensor zu übertragen, während das Umgebungslicht im Wesentlichen blockiert wird . Das optische Filter dient somit dazu, das Umgebungslicht abzuschirmen . Daher ist ein optisches Filter mit einem schmalen Durchlassbereich im Wellenlängenbereich im nahen Infrarot , d . h . z . B . von 800 nm bis 1100 nm, erforderlich . Darüber hinaus muss das optische Filter einen hohen Transmissionspegel/ -grad innerhalb des Durchlassbereichs und einen hohen Sperrpegel bzw . ein Stoppband außerhalb des Durchlassbereichs aufweisen, wobei die Transmission im Stoppband idealerweise gegen Null geht .

Herkömmlicherweise umfasst das optische Filter zwei Bandpass filter, die auf gegenüberliegenden Oberflächen eines Substrats angeordnet sind . Dabei sind die Durchlassbereiche der Bandpass filter derart aufeinander abgestimmt , dass der Durchlassbereich des Bandpass filters auf der Rückseite des Substrats den Durchlassbereich des Filters auf der Vorderseite des Substrats einhüllt . Gleichzeitig sind die Durchlassbereiche der Filter derart aufeinander abgestimmt , dass eine Antireflex-Wirkung entsteht . Somit blockiert das Bandpass filter auf der Rückseite des Substrats die Wellenlängen außerhalb des Durchlassbereichs des Bandpass filters auf der Vorderseite des Substrats . Jeder der Filter besteht aus Schichten mit hohem Brechungsindex und Schichten mit niedrigem Brechungsindex, die abwechselnd gestapelt sind . Im Allgemeinen werden verschiedene Oxide für die Schichten mit hohem Brechungsindex und für die Schichten mit niedrigem Brechungsindex verwendet , wie Titandioxid

( TiO2 ) , Niobpentoxid (Nb2Os ) , Tantalpentoxid ( Ta2Os ) oder Sili ziumdioxid ( SiO2 ) . Die US 9945995 B2 of fenbart ein derartiges optisches Filter mit einem Durchlassbereich, der sich zumindest teilweise mit einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1100 nm überlappt . Das optische Filter umfasst einen Filterstapel , der aus hydrierten Sili ziumschichten als hochbrechende Schicht und Schichten mit niedrigerem Brechungsindex besteht , die abwechselnd gestapelt sind . Die hydrierten Sili ziumschichten haben j eweils einen Brechungsindex von mehr als 3 über den Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1100 nm und einen Extinktionskoef fi zienten von weniger als 0 , 0005 über dem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1100 nm . Das Material mit niedrigerem Brechungsindex ist ein dielektrisches Material , typischerweise ein Oxid . Geeignete Materialien mit niedrigerem Brechungsindex sind Sili ziumdioxid ( SiO2 ) , Aluminiumoxid (AI2O3 ) , Titandioxid ( TiO2 ) , Niobpentoxid (Nb2Os ) , Tantalpentoxid ( Ta2Os ) und Gemische davon, d . h . gemischte Oxide .

Aus der US 9989684 B2 ist ebenfalls ein optisches Interferenz filter mit einer verbesserten Transmission im Durchlassbereich des Filters bekannt . Der of fenbarte Interferenz filter umfasst dabei einen Stapel aus mehreren Schichten, wobei mindestens eine Schicht aus hydriertem amorphen Sili zium mit einem hohen Brechungsindex besteht und mindestens eine Schicht aus einem oder mehreren dielektrischen Materialien mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Brechungsindex des hydrierten amorphen Sili ziums .

Um die Leistung eines optischen Filters beispielsweise in einem Gestenerkennungssystem zu verbessern, ist es wünschenswert , die Anzahl der Schichten, die Gesamtbeschichtungsdicke und die Verschiebung der Wellenlängen (AOI - Angle of Incidence ) mit Änderung des Einfallswinkels zu verringern . Zudem sollte eine minimale Transmission im Bereich der Stoppbänder außerhalb des Durchlassbereiches vorliegen . Unter der Wellenlängenverschiebung im Sinne der Erfindung wird die Verschiebung des Passbandes eines Filters verstanden, die so gering wie möglich sein sollte , damit bei unterschiedlichen Blickwinkeln auf das Filter nahezu die gleichen Filtereigenschaften vorliegen . Ein Verbesserungsansatz dafür besteht darin, ein Material mit einem höheren Brechungsindex als ihn herkömmliche Oxide aufweisen über dem interessierenden Wellenlängenbereich für die Schichten mit hohem Brechungsindex zu verwenden, wie es beispielsweise in der US 9945995 B2 of fenbart ist . Zusätzlich zu einem höheren Brechungsindex muss das Material auch einen niedrigen Extinktionskoef fi zienten über dem interessierenden Wellenlängenbereich aufweisen, um ein hohes Transmissionsniveau innerhalb des Durchlassbereichs bereitzustellen . Bisher werden aber für die Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindi zes immer unterschiedliche Materialien verwendet .

Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung von unterschiedlichen Materialien für derartige optische Filter ist , dass diese in der Regel innerhalb der gleichen Beschichtungsanlage auf ein Substrat abgeschieden werden . Es besteht die Notwendigkeit verschiedene Beschichtungsquellen und Beschichtungsprozesse zu verwenden, wobei für j ede Beschichtungsquelle unterschiedliche Prozessgase verwendet werden . Dies bedingt bei einem Wechsel der Beschichtungsquellen und damit der Prozessgase lange Spülprozesse , die zu sehr langen Prozess zeiten führen . Auch sind die Verfahren zur Herstellung qualitativ hochwertiger optischer Interferenz filter bzw . optischer Schichtsysteme mit vielen unterschiedlichen Schichten und Schichtmaterialien kompli ziert und langwierig .

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems anzugeben, das die Nachteile aus dem Stand der Technik, wie z . B . lange Spül zeiten zwischen den Schichtabscheidungen, nicht aufweist . Mit dem Verfahren sollte ein optisches Schichtsystem einfach herstellbar sein, insbesondere sollten die Prozess zeiten kurz sein, so dass eine hohe Stückzahl an Endprodukten, die mit dem Verfahren hergestellt werden, in gleichbleibender Qualität realisierbar ist .

Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein optisches Schichtsystem anzugeben, das für den Einsatzbereich optimale Schichteigenschaften aufweist und hochreproduzierbar und ef fi zient herstellbar ist .

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems bestehend aus einer Viel zahl an Schichten gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems , welches aus einer Viel zahl von Schichten besteht , werden die Schichten des optischen Schichtsystems mittels eines gewählten Beschichtungsverfahrens aus einem gleichen Material , welches hydriertes amorphes Sili zium ( a-Si : H) oder hydriertes Germanium ( Ge : H) ist , auf ein Substrat abgeschieden, wobei ein Brechungsindex und ein Extinktionskoef fi zient j eder Schicht der Viel zahl an Schichten des Schichtsystems mittels einer Regelung von Prozessparametern des gewählten Beschichtungsverfahrens eingestellt werden.

Besonders vorteilhaft ist, dass im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für das optische Schichtsystem unabhängig vom Beschichtungsverfahren nur ein einziges Material abgeschieden wird, nämlich a-Si:H:x oder Ge:H:x, und die optischen Eigenschaften, wie der Brechungsindex und der Extinktionskoeffizient jeder Schicht lediglich durch die Regelung eines typischen Prozessparameters oder mehrerer typischer Prozessparameter für das gewählte Beschichtungsverfahren eingestellt werden kann, x kann für weitere Prozessgase wie Strickstoff (N2) oder Chlor (CI2) stehen. Damit ist das Herstellungsverfahren sehr einfach, kürzer als im Stand der Technik aufgrund des Wegfalls der Notwendigkeit von Spülprozessen zwischen unterschiedlichen Schichtmaterialien und Prozessgasen und damit kostengünstiger .

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Beschichtungsverfahren ein Sputterprozess , wobei der Sputterprozess entweder reaktiv mittels eines Reaktivgasgemisches aus Argon (Ar) , und / oder Krypton (Kr) und / oder Helium (He) und / oder Xenon (Xe) und Wasserstoff (H2) erfolgt oder das Sputtern von Silizium mittels Ar, Kr, He und / oder Xe erfolgt und die Schichten des Schichtsystems mittels einer Plasma- und/oder lonenquelle zu a-Si:H oder Ge : H hydriert werden, oder der Sputterprozess wird als Kombination des reaktiven Sputterns und der verwendeten Plasma- und / oder lonenquelle durchgeführt, wobei der Brechungsindex und der Extinktionskoeffizient jeder einzelnen a-Si:H:x oder Ge:H:x Schicht des Schichtsystems über ein Verhältnis von Wasserstoff zu Ar, Kr, He und / oder Xe eingestellt wird, x stellt eine weitere Schichtkomponente dar, die in einer Ausgestaltung des Verfahrens vorhanden sein kann, aber nicht vorhanden sein muss. Dies gilt für alle wählbaren Beschichtungsprozesse.

Wird als Beschichtungsverfahren eine Sputtertechnologie gewählt, gibt es für die Herstellung von a-Si:H bzw. Ge : H mehrere Herstellungsvarianten. Eine Variante besteht darin, dass der Sputterprozess reaktiv erfolgt, d. h. es wird ein Reaktivgasgemisch bevorzugt aus Argon und Wasserstoff verwendet. Für andere Schicht zusammenset zungen, wie z. B. a- Si:H:N, können auch Stickstoff oder Sauerstoff für den Sputterprozess als Reaktivgase verwendet werden. Die Verwendung von Stickstoff (N) bzw. Sauerstoff (O2) hat den Vorteil, dass damit die Schichtspannung der abgeschiedenen Schicht aufgrund des größeren Ionen- bzw. Atomradius in Relation zum Wasserstoff in Richtung Druckspannung korrigiert werden kann. Dadurch können Zugspannungen in den a-Si:H bzw. Ge : H Schichten reduziert bzw. korrigiert werden.

In einer weiteren Variante kann der Sputterprozess mit Argon und / oder Krypton und / oder Helium und / oder Xenon derart erfolgen, dass nur eine subnanometerdicke Siliziumschicht bzw. Germaniumschicht mittels Sputtern abgeschieden wird, welche in einem Nachbehandlungsschritt mit einer lonen- und/oder Plasmaquelle hydriert oder nitriert oder oxidiert oder oxinitriert oder hydronitriert wird. Diese beiden Prozessschritte werden iterativ wiederholt, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist. In dem Nachbehandlungsschritt wird das Substrat mit der metallisch gesputterten Schicht durch ein Plasma geführt, welches durch eine Plasma- und / oder lonenquelle erzeugt wird. Die Quelle kann beispielsweise eine ICP- (inductive coupled plasma) Quelle sein. Eine dritte Variante stellt eine Kombination aus beiden vorher genannten Varianten dar. Das Reaktivgas wird sowohl im Sputterprozess bei der Abscheidung einer subnanometerdicken Schicht als auch bei der Nachbehandlung mit Hilfe einer Plasma- und / oder lonenquelle verwendet. Durch die Wahl des Gasflusses, des Verhältnisses von z. B. Argon zum Reaktivgas in der Sputterquelle bzw. in der Plasma- und / oder lonenquelle, die Leistungen der Sputterquelle bzw. der Plasma- und / oder lonenquelle sowie die Temperatur der zu beschichtenden Oberf läche/Substrate wird die finale Stöchiometrie und Struktur der a-Si:H:x bzw. Ge:H:x Schicht eingestellt. Diese bestimmen dann die optisch relevanten Größen, wie den Brechungsindex und den Extinktionskoeffizienten jeder einzelnen Schicht des optischen Schichtsystems .

Der Zusammenhang zwischen den optischen Eigenschaften für die Schichten mit hohem, mittlerem und niedrigem Brechungsindex und den Prozessgrößen des Sputterprozesses wird experimentell im Vorfeld der Schichtherstellung durchgeführt. Die einzelnen Prozessschritte bei der Abscheidung des optischen Schichtsystems beziehen sich dann auf diese Untersuchungen. Eine wesentliche Regelgröße bei der Herstellung von a-Si:H:x bzw. Ge:H:x Schichten ist das Verhältnis von Wasserstoff zu Reaktivgas, wie Argon, wobei die Materialdichte und somit der Brechungsindex sinkt, je höher der Anteil von Wasserstoff im Reaktivgas ist. Für die eingestellten Verhältnisse von Argon zu Wasserstoff werden Werte von 1:2 bis 5:1 eingestellt, insbesondere im Bereich von 1:3 bis 4:1. Die Verhältnisse der Gasgemische werden zueinander so gewählt, dass damit der Brechungsindex in einem für das Filter relevanten Bereich eingestellt werden kann, so dass für die Kavitäten des herzustellenden Filters der Brechungsindex so hoch wie möglich und der Extinktionskoeffizient gleichzeitig so niedrig wie möglich realisiert werden kann. Ausgehend davon wird der Brechungsindex der hochbrechenden Schicht des Filterstapels höher eingestellt, wobei die einhergehende Verschlechterung des Extinktionskoeffizienten dabei in Kauf genommen wird. Auf die gleiche Weise wird für die niedrigbrechende Schicht des Filterstapels der Brechungsindex möglichst klein eingestellt und auf einen kleinstmöglichen Extinktionskoeffizienten geachtet .

Die Abscheidung von a-Si:H:N ist ein Bespiel für eine abzuscheidende Schicht des Filterstapels. Ebenso können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Schichten aus a-Si:H:N:Cl, a- (Si,Ge) :H, a- ( Si , Ge ) : H : N und / oder a- ( Si , Ge ) : H : N : Gl erzeugt werden. Weitere Kombinationen aus hydriertem Silizium bzw. Germanium und Reaktivgasen sind möglich und nicht auf die vorbenannten Kombinationen begrenzt.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Reaktivgasgemisch Argon und Stickstoff, N2, oder Argon und Sauerstoff, O2. Die Wahl des Reaktivgasgemischs hängt von der abzuscheidenden Schicht zusammenset zung ab. Das hat den Vorteil das damit die Schichtspannung aufgrund des größeren Ionen- bzw.

Atomradius, in Relation zum Wasserstoff in Richtung Druckspannung korrigiert werden kann. Dadurch können Zugspannungen in den a-Si:H bzw. Ge : H Schichten reduziert bzw. korrigiert werden.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Verfahrens ist das Beschichtungsverfahren ein chemischer Gasphasenabscheideprozess (chemical vapour deposition - CVD- Prozess) , wobei der CVD-Prozess entweder plasmagestützt oder katalytisch oder thermisch mittels einer Verdampfereinheit und einer Plasmaquelle erfolgt, wobei der Brechungsindex und der Extinktionskoeffizient jeder a-Si:H oder Ge : H Schicht des Schichtsystems mittels einer Gasflussregelung über ein Verhältnis von Silanen oder Germanen und Wasserstoff oder einer Leistung der Verdampfereinheit und der Plasmaquelle eingestellt wird. Unter der Gasflussregelung wird verstanden, dass entweder ein absoluter Gasfluss der Silane oder Germane oder des Wasserstoffs eingestellt wird oder dass eines der Gase, Silane oder Germane oder Wasserstoff, konstant gehalten und das jeweils andere Gas geregelt wird oder dass Gasmischungen der beiden Gase vorbereitet werden. Die Stöchiometrie der jeweiligen Filterschichten können somit mittels der Gasflüsse des Silan-Gases oder German- Gases und des Wasserstoffs sowie deren Verhältnisse zueinander (Teilgasflüsse) in einem Gasgemisch der Plasmaquelle und/oder einer Leistung der Verdampfereinheit und/oder der Plasmaquelle eingestellt werden.

Wird als Beschichtungsverfahren die chemische Gasphasenabscheidung (engl. Chemical vapour deposition CVD) gewählt, können für die Herstellung von a-Si:H:x oder Ge:H:x Schichten verschiedene Varianten der CVD-Technologie verwendet werden, wie die plasma-unterstüt zte CVD (PECVD) , die katalytische oder die thermische CVD. Die optischen Eigenschaften der abgeschiedenen a-Si:H:x oder Ge:H:x Schichten des Schichtsystems werden durch ein unterschiedliches Verhältnis der Reaktivgase zueinander eingestellt. Konkret wird das Verhältnis von H2 zu Silan oder German durch eine Gasflussregelung derart eingestellt, dass die gewünschten optischen Eigenschaften erzielt werden. Der Zusammenhang zwischen Prozessgasverhältnis, Prozessgasfluss, Substrattemperatur, die üblicherweise zwischen 160-200°C liegt, gegebenenfalls der Leistung einer Plasmaquelle, die entweder mittels Gleichspannung oder hochfrequent angesteuert wird, und dem Brechungsindex und dem Extinktionskoeffizienten wird dabei im Vorfeld experimentell für die unterschiedlichen Schichten und gewünschten Schichteigenschaften ermittelt. Für die Erzeugung des optischen Schichtsystems wird dann auf diese Prozessgrößen zurückgegriffen .

Mit diesem Beschichtungsverfahren können auch a-Si:H:N Schichten hergestellt werden, indem als drittes Reaktivgas Stickstoff hinzugefügt wird. Es können auch a-Si:H:N:Cl, a- (Si,Ge) :H, a- ( Si , Ge ) : H : N und / oder a- ( Si , Ge ) : H : N : Gl - Schichten erzeugt werden, indem weitere Prozessgase hinzugefügt werden bzw. statt Silizium Germanium verwendet wird. Weitere Kombinationen aus hydriertem Silizium bzw. Germanium und Reaktivgasen sind möglich und nicht auf die vorbenannten Kombinationen begrenzt.

Zur Verbesserung der Schichteigenschaften kann bei diesem Beschichtungsverfahren eine Wärmebehandlung der Schicht bzw. des gesamten optischen Schichtsystems in Vakuum oder Argon- Atmosphäre durchgeführt werden. Typische Temperaturen eines Nachbehandlungsschrittes (post-process annealing) liegen bei 100°C-370°C, bevorzugt 200°C-285°C für 1 min bis 60 min, vorzugsweise 10 min.

Bei einem thermischen CVD-Prozess werden die a-Si:H:x oder

Ge:H:x Schichten des optischen Schichtsystems mit verschiedenen Stöchiometrien und damit optischen Eigenschaften mittels einer Verdampfereinheit für Silizium in Kombination mit einer Plasmaquelle (Assistquelle) abgeschieden, wobei die Plasmaquelle mit einem Gemisch aus Argon und Wasserstoff betrieben wird. Zur Erzeugung von Nitriden, Oxiden, Oxinitriden oder Hydro-Nitriden können auch die entsprechenden Gase im Prozess gemischt werden. Die Einstellung des Brechungsindexes und des Extinktionskoeffizienten der mittels thermischem CVD-Prozess abgeschiedenen Schichten des optischen Schichtsystems erfolgt durch die Einstellung des absoluten Gasflusses und einem im Vorfeld der Abscheidung ermittelten Verhältnis der Teilgasflüsse (wie Silane, Germane, Wasserstoff usw.) im jeweiligen Gasgemisch in der lonenquelle und der Leistungen der Verdampfereinheit und der Plasmaquelle. Somit kann für jede Schicht die Stöchiometrie eingestellt und damit das optische Verhalten gesteuert werden. Üblicherweise werden Substrattemperaturen, auf denen die Schichten abgeschieden werden, von 100°C-300°C, vorzugsweise 140°C-240°C angestrebt .

In vorgelagerten Versuchen werden die für die jeweilige Anordnung von Verdampfer, zu beschichtendem Substrat und Plasmaquelle optimalen Prozessparameter für eine abzuscheidende Schicht mit hohem, niedrigem oder mittlerem Brechungsindex bestimmt. Mit diesen bekannten Daten können dann Schichten des optischen Schichtsystems abgeschieden werden .

In einer anderen weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Beschichtungsverfahren ein Elektronenstrahlverdampfungsprozess in Verbindung mit einer lonenquelle, wobei der Brechungsindex und der Extinktionskoeffizient jeder a-Si:H:x oder Ge:H:x Schicht des Schichtsystems mittels einer Einstellung eines absoluten Gasflusses und/oder einem Verhältnis von Teilgasflüssen in einem Gasgemisch der lonenquelle und einer Leistung einer Verdampfereinheit und/oder der lonenquelle eingestellt wird. Unter dem absoluten Gasfluss wird der summierte Gasfluss der Dotiergase, wie Wasserstoff (H2) und / oder Stickstoff (N2) und / oder Chlor (CI2) und / oder einer Mischung aus diesen Dotiergasen verstanden. Die einzelnen Dotiergase können auch in Teilgasflüssen geregelt werden.

Wird als Beschichtungsverfahren ein Verdampfungsprozess zur Abscheidung der a-Si:H:x oder Ge:H:x Schichten mit verschiedenen Stöchiometrien und damit optischen Eigenschaften gewählt, wird eine Verdampfereinheit für Silizium bzw. Germanium in Kombination mit einer lonenquelle (Assistquelle) benötigt, wobei die lonenquelle mit einem Gemisch aus Argon und Wasserstoff betrieben wird. Zur Erzeugung von Nitriden, Oxiden, Oxinitriden oder Hydro- Nitriden können auch die entsprechenden Gasgemische verwendet werden. Die Einstellung des Brechungsindexes und des Extinktionskoeffizienten jeder a-Si:H:x bzw. Ge:H:x Schicht des optischen Schichtsystems erfolgt durch die Einstellung des absoluten Gasflusses und/oder der Verhältnisse der Teilgasflüsse im jeweiligen Gasgemisch in der lonenquelle sowie der Leistungen des Verdampfers und/oder der lonenquelle. Somit kann für jede Schicht die Stöchiometrie eingestellt und damit das optische Verhalten gesteuert werden. Üblicherweise werden Substrattemperaturen von 100°C-300°C, vorzugsweise 140°C-240°C angestrebt.

In vorgelagerten Versuchen werden die für die jeweilige

Anordnung von Verdampfer, Substrat und lonenquelle optimalen Prozessparameter für eine Schicht mit hohem, niedrigem oder mittlerem Brechungsindex bestimmt . Mit diesen bekannten Daten können dann Schichten des optischen Schichtsystems abgeschieden werden .

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die optimalen Prozessparameter eines gewählten Beschichtungsverfahrens zur Einstellung eines def inierten/gewünschten Brechungsindex und Extinktionskoef f i zenten j eder a-Si : H : x bzw . Ge : H : x Schicht des Schichtsystems experimentell durch vorgelagerte Versuche oder Simulationen ermittelt .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch ein optisches Schichtsystem gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8 gelöst .

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Schichtsystem, welches mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist , sind die Viel zahl an Schichten aus einem gleichen Material ausgebildet , wobei sich die hoch- , mittel- und niedrigbrechenden Schichten nur durch ihre Stöchiometrie eines Dotiergases unterscheiden und wobei die optischen Eigenschaften der hoch- , mittel- und niedrigbrechenden Schichten durch die Stöchiometrie des Dotiergases mittels einer Prozesssteuerung einstellbar sind .

In einer Variante des erfindungsgemäßen optischen Schichtsystems weist das Schichtsystem zwei oder mehr Schichten mit einem mittleren Brechungsindex n _My auf , wobei y eine ganze Zahl größer Null ist und es gilt n _H > n _Mi > n _M 2 h ... > n _My > n _L . D . h . das Schichtsystem kann mehrere Schichten umfassen, die einen mittleren Brechungsindex aufweisen, wobei die mittelbrechenden Schichten in Bezug auf die hoch- und niedrigbrechenden Schichten, unterschiedliche Brechungsindices aufweisen die zwischen den hoch- und niedrigbrechenden Schichten liegen . Die mittelbrechenden Schichten können wiederum teilweise gleiche und/oder unterschiedliche Brechungsindices untereinander aufweisen .

Das erfindungsgemäße Schichtsystem kann somit sowohl aus Schichten gebildet sein, die nur einen hoch- bzw . niedrigbrechenden Brechungsindex aufweisen . Die Schichten des Schichtsystems können auch hoch- , mittel- und niedrigbrechenden Brechungsindices aufweisen oder das Schichtsystem kann aus Schichten gebildet sein, die eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex, mehr als eine Schicht mit einem mittleren Brechungsindex und eine Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex aufweisen, wobei die Brechungsindices der mittelbrechenden Schichten teilweise gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein können .

Die Verwendung gleicher chemischer Elemente in allen Schichten des optischen Schichtsystems hat den Vorteil , dass keine langen Spülprozesse zwischen den einzelnen Schichtabscheidungsschritten notwendig sind, da nicht zwischen unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien gewechselt werden muss . Damit verringern sich auch die Prozess zeiten drastisch und es kann eine hohe Stückzahl realisiert werden .

In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen optischen Schichtsystems ist das gleiche Material hydriertes amorphes Sili zium ( a-Si : H) oder hydriertes Germanium ( Ge : H) und das Dotiergas ist Wasserstof f (H2 ) .

Hydriertes amorphes Sili zium besitzt den herausragenden

Vorteil , dass in Abhängigkeit von der Stöchiometrie des eingebauten Wasserstof fes der Brechungsindex in einem weiten Bereich einstellbar ist. Die Verwendung von hydriertem Silizium (Si:H) für Schichten mit hohem Brechungsindex in optischen Filtern wird von Lairson et al. in einem Artikel mit dem Titel "Reduzierte Winkelverschiebungs-Inf rarot- Bandpassf ilterbeschichtungen" (Proceedings of the SPIE, 2007, Vol. 6545, S. 65451C-1-65451C-5) und von Gibbons et al. in einem Artikel mit dem Titel "Entwicklung und Implementierung eines hydrierten a-Si-reaktiven Sputter- Abscheidungsprozesses " (Proceedings of the Annual Technical Conference, Society of Vacuum Coaters, 2007, Vol. 50, S. 327-330) beschrieben.

In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen optischen Schichtsystems ist das optische Schichtsystem als ein Bandpassfilter ausgebildet.

Bevorzugt weist ein Bandpassfilter, das aus einer Schichtabfolge von hoch-, mittel- und / oder niedrigbrechenden Schichten besteht, für eine hochbrechende Schicht aus a-Si:H einen Brechungsindex n _H = 3,35 bis 3,8 und einen Extinktionskoeffizienten k < 0,001 auf, für eine mittelbrechende Schicht einen Brechungsindex n _M = 3,0 bis 3, 6 mit k < 0,001 sowie für eine niedrigbrechende Schicht einen Brechungsindex von n _L = 2,5 bis 3,3 mit k < 0,001 für einen Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1100 nm.

In einer anderen bevorzugten Variante weist das Bandpassfilter, das aus einer Schichtabfolge von hoch-, mittel- und / oder niedrigbrechenden Schichten besteht, für eine hochbrechende Schicht aus a-Si:H:x einen Brechungsindex n _H = 3, 6 bis 3,8 und einen Extinktionskoeffizienten k < 0,0001 auf, für eine mittelbrechende Schicht einen Brechungsindex n _M = 3,2 bis 3,3 mit k < 0,0001 sowie für eine niedrigbrechende Schicht einen Brechungsindex von n _L = 3 , 0 bis 3 , 1 mit k < 0 , 0001 für einen Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1100 nm .

I st das erfindungsgemäße optischen Schichtsystem als Bandpass filter ausgebildet , umfasst das optische Bandpass filter vorzugsweise mindestens zwei mittelbrechende oder niedrigbrechende Kavitätsschichten mit einem Brechungsindex n _M oder n _L mit einer j eweiligen Dicke von l Onm bis 3000nm, sowie mindestens fünf Schichtstapel , die j eweils aus abwechselnd gestapelten niedrig- und hochbrechenden Schichten mit einem Brechungsindex n _L bzw . n _H mit einer j eweiligen Dicke von 5 bis 200nm ausgebildet sind .

Die hoch- , mittel- oder die niedrigbrechende Schicht bilden j eweils die Kavitäten im Bandpass filter, also einen Bereich, in dem konstruktive Interferenz der einfallenden Strahlung stattfindet und somit einen Bereich hoher Transmission des optischen Filters erzeugt . Durch die Anzahl der ausgebildeten Kavitäten im optischen Filter ist der Transmissionsgrad und die Breite des Passbands des Filters genau einstellbar . Durch die Wahl der Brechungsindices in Kombination mit der Schichtdicke der Kavitäten lässt sich die Wellenlängenverschiebung des Passbandes des optischen Bandpass filters verringern . D . h . bei unterschiedlichen Einfallswinkeln der einfallenden Strahlung liegen nahezu die gleichen Filtereigenschaften vor .

Neben den Kavitäten gibt es im Schichtsystem Schichtstapel , die als Spiegelschichten fungieren und sogenannte Stoppbänder des Filters bilden . Je mehr Schichtstapel in dem optischen Bandpass filter mit entsprechenden Dicken vorliegen, desto besser wird die einfallende Strahlung in diesem Bereich mittels destruktiver Interferenz reduziert.

In einer weiteren Variante des optischen Schichtsystems umfasst das optische Schichtsystem neben einer hochbrechenden Schicht aus a-Si:H:x oder a-Ge-H:x und einer niedrigbrechenden Schicht aus a-Si:H:x oder a-Ge-H:x eine weitere Schicht aus SisN4 oder SiCb- Ein derartiges Schichtsystem weist den Vorteil auf, dass das Spektrum der möglichen Brechungsindices erweitert wird, insbesondere zu niedrigen Brechungsindices im Falle von SiCb, SiCb hat einen Brechungsindex von 1,4 bis 1,47 im Wellenlängenbereich oberhalb von 800nm. Im Falle von SisN^ das im Vergleich zu a-Si:H und SiCb ein Material mit mittelbrechendem Brechungsindex darstellt, SisN4 hat einen Brechungsindex von 2 bis 2,1 im Wellenlängenbereich oberhalb von 800nm, besteht die Möglichkeit, die optischen Parameter des Filters präziser anzupassen.

In einer Variante des optischen Schichtsystems ist das optische Schichtsystem als ein Rugate-Filter ausgebildet, wobei über die Vielzahl an Schichten ein Brechungsindexgradient ausbildbar ist, der durch die Stöchiometrie des Dotiergases oder der Dotiergase über die Prozesssteuerung für jede Schicht der Vielzahl an Schichten einstellbar ist.

Prozessbedingt bildet diese bevorzugte Variante einen sogenannten Quasi-Rugate-Filter innerhalb der einzelnen Spiegelsysteme aus, wobei unter einem Spiegelsystem im Sinne der Erfindung der Aufbau eines Interferenzfilters aus den hoch-, mittel- und / oder niedrigbrechenden Schichten und den gebildeten Kavitäten verstanden wird. Ein Rugate-Filter ist ein dielektrischer Spiegel, der einen bestimmten Wellenlängenbereich von Licht selektiv reflektiert. Dieser Effekt wird durch eine periodische, stetige bzw. quasi diskrete Änderung des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Dicke des Spiegels, erzielt. Ein bestimmter Wellenlängenanteil des Lichtes kann sich nicht im Rugate- Filter ausbreiten und wird reflektiert. Eine besondere Herausforderung ist dabei die Realisierung des stetigen bzw. quasi diskreten Brechungsindex-Profils. Dieses wird durch die chemische Zusammensetzung der Vielzahl an Filterschichten als Funktion der Schichtdicke eingestellt. Erreicht werden kann dies durch eine kontinuierliche Veränderung der Gaszusammensetzung bei den Abscheideprozessen der einzelnen Filterschichten, wobei durch eine dynamische Prozesssteuerung die Stöchiometrie des Dotiergases in das abzuscheidende Filtermaterial eingestellt und damit unterschiedliche Brechungsindizes ausgebildet werden .

In einer weiteren Variante des optischen Schichtsystems ist das optische Schichtsystem als ein optisches Interferenzfilter ausgebildet.

Vorzugsweise weist das optische Interferenzfilter einen Transmissionsbereich von 420nm bis 2800nm, bevorzugt 800nm bis llOOnm auf. Die Breite des Passbandes beträgt vorzugsweiße 10 bis 50 nm bei 50% Transmission. Die Flankensteilheit zwischen 10% und 90% Transmission liegt vorzugsweiße zwischen 8 und 20 nm. Die Transmission der Stoppbänder ist vorzugsweiße kleiner 1% Transmission, vorzugsweiße kleiner 0,1% Transmission besser jedoch kleiner 0,01% Transmission im Bereich von 400 bis 910 nm und im Bereich 970 bis llOOnm. Diese Wellenlängenbereiche der Durchlassbereiche und der Stoppbänder werden durch die Dicke der einzelnen Schichten des Filters bestimmt . Im Speziellen wird die Breite des Durchlassbereichs durch die Anzahl der Kavitäten in Verbindung mit deren Brechungsindices und deren Schichtdicke eingestellt .

Das endgültige Design eines optischen Filters ist abhängig von den Anforderungen, welche durch die spätere Anwendung zum Beispiel innerhalb eines Sensors , bestimmt werden . Hierbei werden bestimmte Anforderungen an den Durchlassbereich und die Stoppbänder gestellt . Diese Zielwerte lassen es zu, mit Hil fe optischer Modelle Schichtstapelabfolgen aus der Viel zahl an Schichten des optischen Schichtsystems zu ermitteln . Die Dicke der einzelnen Schichten, die Anzahl , Anordnung und Dicke von Spiegelschichten und Kavitäten bestimmen somit das optische Verhalten des Filters .

Der Bereich im nahen Infrarot von 800 bis 1100 nm ist von besonderem Interesse für Anwendungen der Filter in Sensoren, die mit dem Lauf zeitverfahren ( time-of- f light ) Entfernungen bestimmen und somit dreidimensionale Bildinformationen generieren können . Dies spielt eine große Rolle für moderne Zukunf tstechnologien wie LIDAR ( Light detection and ranging) , welches für autonomes Fahren benötigt wird oder bei Mensch-Maschine-Wechselwirkungen zum Beispiel bei der Erkennung von Gesten oder Gesichtern durch mobile Endgeräte .

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Aus führungsbeispielen näher erläutert werden .

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen Fig. 1 Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Schichtsystems als ein optischer Interferenzfilter mit 4 verschiedenen Filterbeispielen (a-d) ;

Fig. 2 Beispielhafter Transmissionsbereich des erfindungsgemäßen Interferenzfilters aus Fig. 1;

Fig. 3 Schematische Darstellung eines Sputterprozesses zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Schichtsystems ;

Fig. 4 Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Schichtsystems als TOF-Sensor für die Gesichtserkennung;

Figur 1 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Schichtsystems als ein optischer Interferenzfilter. Der optische Interferenzfilter ist auf einem Substrat 1 abgeschieden. Die Abscheidung kann beispielsweise mittels eines Sputterprozesses, eines CVD- Prozesses oder eines Verdampfungsprozesses (eBeam) erfolgen. Das Interferenzfilter besteht in der Regel aus einer Vielzahl an Schichten, die unterschiedliche Brechungsindices sowie Extinktionskoeffizienten aufweisen. Die Vielzahl an Schichten bilden Schichtstapel , wobei sich Kavitäten und Spiegelsysteme abwechseln. Die Spiegelsysteme sind wiederum aus unterschiedlichen Spiegelschichten aufgebaut bzw. gestapelt, wobei sich in der Regel hoch-, niedrig- und / oder mittelbrechende Schichten abwechseln. Die optische Dicke einer Kavität entspricht X/4, die der Spiegelschichten X/2.

Figur la) zeigt ein Filterbeispiel mit zwei Kavitäten 3 und

Spiegelsystemen 2 aus a-Si:H. Die zwei Kavitäten 3 weisen einen identischen Brechungsindex ni, z. B. ni = 3,1 auf und die Spiegelsysteme 2 weisen zwei unterschiedliche Brechungsindices 21, 22, z. B. ni = 3,1 und n2 = 3, 6 auf.

Figur 1b) zeigt ein Filterbeispiel mit zwei Kavitäten 3 und Spiegelsystemen 2 aus a-Si:H. Die zwei Kavitäten 3 weisen unterschiedliche Brechungsindices ni 31und n2 32, z. B. ni = 3,1 und n2 = 3, 6 auf. Die Spiegelschichten 21, 22 der Spiegelsysteme weisen ebenfalls unterschiedliche Brechungsindices, z. B. ni = 3,1 und n2 = 3, 6 auf.

Figur 1c) zeigt ein Filterbeispiel mit drei Kavitäten 3 und Spiegelsystemen 2 aus a-Si:H. Die drei Kavitäten 3 weisen unterschiedliche Brechungsindices ni 31, n2 32 und n ₃ 33, z. B. ni = 3, 6, n2 = 3,2 und n ₃ = 3,1 auf. Die Spiegelschichten 21, 22 der Spiegelsysteme weisen ebenfalls unterschiedliche Brechungsindices, z. B. ni = 3,1 und n ₃ = 3, 6 auf.

Figur Id) zeigt ein Filterbeispiel mit drei Kavitäten 3 und Spiegelsystemen 2 aus a-Si:H. Die drei Kavitäten 3 weisen unterschiedliche Brechungsindices ni 31, n ₃ 32 und n ₃ 33, z. B. ni = 3, 6, n2 = 3,2 und n ₃ = 3,1 auf. Die Spiegelschichten 21, 22, 23 der Spiegelsysteme weisen ebenfalls unterschiedliche Brechungsindices, z. B. ni = 3, 6, n ₃ = 3,2 und n ₃ = 3,1 auf .

Figur 2 zeigt einen beispielshaf ten Transmissionsbereich des erfindungsgemäßen Interferenzfilters aus Figur 1. Durch die ausschließliche Verwendung von a-Si:H ist der effektive Brechungsindex des Filters höher als bei der Verwendung eines Materials mit niedrigem Brechungsindex, wie z. B. SiCh- Die Verschiebung des Transmissionsbandes ist zu dem effektiven Brechungsindex umgekehrt proportional. Mit anderen Worten führt ein großer effektiver Brechungsindex zu einer kleineren Verschiebung des Transmissionsbandes .

Figur 3 zeigt die schematische Darstellung eines Sputterprozesses zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Schichtsystems .

Bei der Sputterabscheidung werden energetische Partikel auf ein Sili ziumtarget 7 gerichtet , wobei diese Partikel eine ausreichende Energie haben, um Sili ziumatome aus dem Target 7 heraus zu sputtern und unter dem Einfluss eines magnetischen oder elektrischen Feldes auf die Oberfläche des Substrats 1 zu übertragen und damit zu beschichten . Das Sputtergas kann beispielsweise Argon (Ar ) aus einer Argonquelle sein . Als Sputtergas können alternativ auch andere Inertgase verwendet werden, die ionisiert werden können, wie beispielsweise Xenon .

Eine weitere Herstellungsvariante beinhaltet die Verwendung einer Plasma- und/oder lonenquelle 10 zur Einstellung des Reaktivgasgehalts 6 innerhalb der nicht-reaktiv oder nur teilreaktiv gesputterten Schicht . Die gesputterte Schicht wird nach der Abscheidung einer subnanometerdicken Lage j eweils mit Hil fe der Plasma- und/oder lonenquelle 10 nachträglich behandelt , um die gewünschte Stöchiometrie einzustellen .

Zur Herstellung von hydriertem amorphen Sili zium wird während des Sputterabscheideprozesses über einen Gaseinlass Wasserstof f in die Prozesskammer eingelassen . Über dynamische Durchflussregler sind die Gasmenge an Sputtergas und Wasserstof f oder falls gewünscht der anderen Dotiergase einstellbar . Damit kann die gewünschte Stöchiometrie der Dotiergase für die Herstellung niedrig- , mittel- und hochbrechenden Schichten eingestellt und geregelt werden, um die Ausbildung gleicher optischer Eigenschaften während einer Gasflussänderung zwischen den niedrig-, mittel- und hochbrechenden Schichten sicherzustellen. Mittels der Prozessparameter wie der Substrattemperatur, der Zielvorspannung (-V) , dem Prozesskammerdruck, der Gesamtdurchflussrate usw. kann ebenfalls der Einbau von Wasserstoff in das Silizium beeinflusst und geregelt werden.

Die so erzeugten Schichtmaterialien werden in einer vorab mit Hilfe von optischen Modellen bestimmten Reihenfolge und Schichtdicke auf dem Substrat abgeschieden, um die optischen Anforderungen, z. B. eines optischen Filters zu erfüllen. Die genaue Kenntnis der Abhängigkeiten zwischen den optischen Eigenschaften (Brechungsindex und Extinktionskoeffizient) der Einzelschichten und den Prozessparametern sind eine wichtige Voraussetzung dafür, um mit vorab verwendeten Modellen für die Simulation eines herzustellenden optischen Schichtsystems korrekte Voraussagen für die Eigenschaften, z. B. eines optischen Filters, treffen zu können. Für jede hoch-, niedrig- oder mittelbrechende Schicht werden die Prozessparameter (Prozessdruck, Gasfluss, Gasverhältnis, Leistungen der Sputterquelle/Plasma- und/oder lonenquelle, Temperatur) exakt eingestellt, so dass reproduzierbare Schichteigenschaften erzielt werden können.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfällt ein Wechsel zwischen verschiedenen Sputtermaterialien, wie z. B. Niobpentoxid oder Siliziumdioxid, oder der Einlass von verschiedenen Dotiergasen, z. B. Sauerstoff oder Wasserstoff, für die Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindices. Damit fallen auch lange Spülzeiten in der Prozesskammer weg, so dass die Produktivität gesteigert und die Schichteigenschaften verbessert werden können . Dies ist insbesondere dann von Interesse , wenn die hergestellten Endprodukte in hoher Stückzahl benötigt werden .

Figur 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Schichtsystems als TOF-Sensor für die Gesichtserkennung . Der TOF-Sensor besteht aus einer Lichtquelle 11 , üblicherweise ein Laser . Diese sendet Licht 15 aus , welches von einem dreidimensionalen Obj ekt 14 reflektiert wird . Das reflektierte Licht 16 wird durch einen Photodetektor 12 detektiert . Es ist von Vorteil , wenn vor dem Photodetektor 12 ein optisches Filter 13 in Form eines Bandpass filters angeordnet ist . Dieses Filter stellt sicher, dass nur Strahlung mit einer Wellenlänge , die von der Lichtquelle ausgesendet wird, detektiert und verarbeitet wird . Für die optimale Funktionalität des Filters 13 muss dieser eine hohe Transmission im Durchlassbereich und außerhalb des Durchlassbereichs eine sehr niedrige Transmission aufweisen . Weiterhin ist es wichtig, dass das Filter eine große Toleranz hinsichtlich der Wellenlängenverschiebung bei unterschiedlichen Einfallswinkeln des Lichts aufweist . Diese Anforderungen müssen in das Design des Filters einfließen .

Bezugszeichenliste Substrat

Spie gel schicht

21 erste Spiegelschicht mit Brechungsindex ni

22 zweite Spiegelschicht mit Brechungsindex n2

23 dritte Spiegelschicht mit Brechungsindex n ₃ Kavität

31 erste Kavität mit Brechungsindex ni

32 zweite Kavität mit Brechungsindex n ₃

32 dritte Kavität mit Brechungsindex n ₃

Sputtergas

Gesputterte Teilchen

Reaktivgas

Sputtertarget

Substrat

Beschichtung

Plasma- und/oder lonenquelle

Lichtquelle

Photodetektor optisches Filter dreidimensionales Obj ekt ausgesendetes Licht der Lichtquelle reflektiertes Licht der Lichtquelle