DE2336049A1 - Aus abwechselnd hoch- und niederbrechenden oxidschichten aufgebautes verlustarmes, hochreflektierendes vielschichtsystem - Google Patents

Description

Aus abwechselnd hoch- und niederbrechenden Oxidschichten aufgebautes verlustarmes,hochreflektierendes Vielschichtsystem

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Vielschichtsysteme aus abwechselnd hoch- und niederbrechenden dielektrischen Schichten, deren Aufbau und Herstellung im allgemeinen und für spezifische Zwecke in zahlreichen Literaturstellen beschrieben worden ist.

Derartige Vielschichtsysteme können auf die verschiedensten Unterlagen wie Linsen, ebene Platten, Spiegelkörper und dgl. aufgebracht sein und dienen dazu, bestimmte Wellenlängebereiche der elektromagnetischen Strahlung im optischen Bereich (Ultraviolet, sichtbares Licht, Infrarot) hindurchzulassen, andere Teile hingegen zu reflektieren.

409813/0780

Dielektrische Vielschichtanordnungen werden für optische Anwendungen vor allem dann verwendet, wenn es auf möglichst geringe Verluste ankommt. Eine der kritischsten Anwendungen dieser Art ist heute bei den sogenannten Laser-Spiegeln gegeben. Etwaige Verluste der hiefür verwendeten Spiegel wirken sich unmittelbar auf die Ausgangsleistung eines Lasers aus. Hiebei besteht nicht nur die Aufgabe, einen möglichst verlustarmen Spiegel herzustellen, sondern darüberhinaus das Problem, die Güte des Spiegels zu bewahren. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die für Laserspiegel verwendeten dielektrischen Vielschichtsysteme, die aus Gründen der mechanischen und chemischen Stabilität vorzugsweise aus Oxidschichten aufgebaut werden, bei einer Temperatur von mehr als 200 C und wenn sie gleichzeitig einem Unterdruck der umgebenden Gasatmosphäre ausgesetzt werden, eine Veränderung erfahren, die

zu einer Erhöhung der Verluste führt. Es ist anzunehmen, dass die zum Aufbau des Spiegels verwendeten Oxide teilweise eine Dissoziation erleiden, d.h. einen Teil des in ihnen gebundenen Sauerstoffs abgeben, und bekanntlich weisen die meisten Oxide mit Sauerstoffdefizit bzw. Suboxide eine optische Absorption auf. Dass Oxide bei Unterdruck und erhöhter Temperatur zersetzt werden können ist ansich bekannt und stimmt überein mit der seit langem gemachten Erfahrung, dass beim Vakuumaufdampfen von im Ausgangszustand absorptionsfreien Oxiden trotzdem Schichten mit stärkerer Absorption erhaltenwerden als den Ausgangsstoffen

409813/0780

~ 3 —

entspricht; auch hiebei findet bei erhöhter Temperatur unter Ein-■wirkung des Vakuums eine Dissoziation der Oxide statt. Bekanntlich wurde das sogenannte reaktive Aufdampfverfahren entwickelt, bei welchem - wenn Oxidsehichten hergestellt werden sollen die Aufdämpfung in einer O₂-Unterdruckatraosphäre durchgeführt wird, um die erwähnte Dissoziation zu unterbinden oder.gegebenenfalls durch den anwesenden Sauerstoff wieder rückgängig zu machen, um auf diese Weise möglichst absorptionsfreie Schichten zu erhalten. Dieses Aufdampfverfahren ist in der dita.isch.tn Patentschrift /4JOf-^a beschrieben worden.

Aber nicht nur die optische Absorption der Schichten führt zu Verlusten sondern auch die Streuung des Lichtes an den Kristallen, aus denen eine Schicht aufgebaut ist. Eine Veränderung der Sehichtstruktur unter Temperatureinwirkung könnte deshalb ebenfalls Ursache für die erhöhten Verluste sein.

Es wurden Untersuchungen durchgeführt, welche die erwähnten Betriebserfahrungen mit Lasern bestätigen. Dabei ergab sich, dass bei vielen Oxidsehichten, vor allem auch bei den wegen ihres hohen Brechungsindex und wegen ihrer hervorragenden mechanischen Widerstandsfähigkeit Härte und Haftfestigkeit (und im allgemeinen auch chemischen Beständigkeit) viel verwendeten hochbrechenden Titanoxidschichten bei Temperaturen von über 200° C, wenn sie gleich-

409813/0780

zeitig einer Unterdruck-Gasatmosphäre (Vakuum) ausgesetzt sind, die Verluste stark zunehmen; in Luft von Atmosphärendruck tritt, dieser Effekt nicht auf.

Man kann jedoch andererseits auf die Verwendung der besagten Titanoxidschichten in solchen Vielschichtsystemen nicht leicht verzichten und sie durch Schichten aus stabileren Oxiden ersetzen. Die meisten anderen Oxide, soweit sie hinsichtlich Härte und Haftfestigkeit und wegen ihres aufdampftechnischen Verhaltens für die Herstellung von verlustarmen hochbrechenden Schichten praktisch in Frage kämen, weisen nämlich einen geringeren Brechungsindex auf. Je geringer aber der Unterschied des Wertes des Brechungsindex der für den Aufbau eines alternierenden Schichtsystems verwendeten hoch- und niederbrechenden Schichten ist, aus desto mehr Einzelschichten muss das Schichtsystem aufgebaut werden, um. eine bestimmte optische Wirkung zu erzielen. Die Verwendung einer grösseren Schichtzahl hat den Nachteil, dass dann aus diesem Grund die Verluste grosser werden, denn absolut verlustfreie Schichten gibt es nicht und eine beispielsweise doppelt so hohe Schichtzahl hat also dann auch eine Verdoppelung der Verluste zur Folge. Es ist also im allgemeinen nicht als vorteilhafte Lösung anzusehen, in einem Schichtsystem die hochbrechenden Oxidschichten durch Schichten eines weniger hochbrechenden aber gegen Zersetzung stabileren Oxides auszutauschen.

A0 9813/0780

Was hier für Titanoxidschichten ausgeführt wurde, gilt selbst-•verständlich auch für Schichten aus anderen Oxiden, die unter der Einwirkung eines Vakuums oder einer Unterdruckatmosphäre bei erhöhter Temperatur absorbierend werden können.

Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Lösung für den Aufbau von gegen erhöhte Temperatur bei Unterdruck beständigen Vielschichtsystemen anzugeben.

Das erfindungsgemässe, aus abwechselnd hoch- und niederbrechenden Oxidschichten aufgebaute verlustarme, hochreflektierende Vielschichtsystem, dessen niederbrechende Schichten aus einem absorptionsarmen Oxid des Siliciums bestehen und das hochbrechende Schichten aus Titanoxid,enthält, ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die J> letzten auf der von der Unterlage abgewandten Seite des Systems gelegenen hochbrechenden Schichten aus Zirkonoxid bestehen.

Es hat sich gezeigt, dass derartig aufgebaute Vielschichtsysteme, wenn überhaupt, eine wesentlich geringere Erhöhung der Verluste bei Temperatureinwirkung unter Unterdruck erleiden. Dies ist umso überraschender, als eine einzelne Zirkonoxidschicht, welche unter Umständen al« oberste Schicht auf einem Schichtsystem aufgebracht werden könnte, dieses Ergebnis nicht erbringt, auch dann nicht, wenn ihre Dicke der Summe der Dicken der gemäss Erfindung vorzusehenden ZrOp-Schichten gleichkommt. Eine solche Einzelschicht

. 409813/0780 .

kann, wie festgestellt wurde, sogar zu einer Erhöhung der Ver-•luste führen, deren Ursache noch nicht klar ist. Möglicherweise ist das darauf zurückzuführen, dass dickere Schichten eine gröbere Struktur aufweisen, welche mehr Streulicht verursacht. Zwar . ist ein gewisser Mini mal viert für die Summe der Dicken der Zirkonoxidschichten für ein Schichtsystem nach der Erfindung ebenfalls zu empfehlen, doch scheint es, dass eine Mehrzahl dünnerer Schichten aus Zirkonoxid sich bezüglich Lichtstreuung günstiger verhält, als eine Einzelschicht der gleichen Gesamtdicke. Der untere Wert für die Summe der Dicken der Zirkonoxidschichten, die im Sinne der Erfindung verwendet werden, liegt bei etwa 200 nm. Je nach dem, ob das Schichtsystern also aus optischen Gründen aus dickeren oder dünneren Einzelschichten aufgebaut werden muss, ist auch die Zahl der zu empfehlenden ZrOp-Schichten verschieden. Natürlich kommt es im Einzelfall auch darauf an, einer wie starken Temperaturbeanspruchung das Schichtsystem ausgesetzt werden soll und welche Forderungen in bezug auf Beständigkeit gestellt v/erden. Ein präziser Wert für die genannte Dickensumme lässt sich naturgemäss nicht angeben.

Als Beispiel für ein erfindungsgemässes Schichtsystem wird nachfolgend ein hochreflektierender Spiegelbelag beschrieben. Der Belag ist auf einer ebenen Glasplatte als Unterlage aufgebracht und besteht aus 17 Schichten abwechselnd aus Titandioxid und Silicium-

40981 3/0780

dioxid (oder SipO-*) ^un<l 8 zusätzlichen weiteren Schichten, von denen die niederbrechenden ebenfalls aus SiOp oder Si_p0 bestehen, die hochbrechenden dagegen aus Zirkondioxid.

Das Schichtsystem, das also im ganzen 25 Einzelschichten aufweist, beginnt mit einer hochbrechenden Schicht auf der Glasunterlage und endet auf der von der Unterlage abgewandten Seite des Systems mit einer hochbrechenden Schicht aus ZrOp. Für den angegebenen Verwendungszweck besitzen alle Schichten eine optische Schichtdicke (=Produkt aus geometrischer Schichtdicke χ Brechungsindex) · von λ/4, wobei λ die Wellenlänge bezeichnet, bei welcher der Spiegel ein Maximum der Reflexion besitzen soll. Dieses Schichtsystem besitzt also den folgenden Aufbau:

No. der Schicht: 0, 1, 2, J>, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, Glas/ TSTSTSTSTS T S T

14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, STS. TSZSZSZSZ

wobei S, T und Z jeweils eine Schicht von λ/4 optischer Dicke aus Siliciumoxid, Titanoxid bzw. Zirkonoxid bedeutet.

40981 3/0780

Die Herstellung des Spiegels erfolgt in ansich bekannter V/eise .am einfachsten durch Aufdampfen im Vakuum. Die genannten Schichtstoffe können, wie viele andere Oxide, mit dem Elektronenstrahl direkt aufgedampft werden oder vor allem auch durch das erwähnte reaktive Aufdampfverfahren hergestellt werden.

Für den vorerwähnten hochreflektierenden Spiegel wurden folgende Werte für die Reflexion R und Transmission T ermittelt:

R = 99,77 %

T = O,o8 % '

Verlust V = 0,15 % '

Für einen zweiten gleich aufgebauten Spiegel wurden die folgenden Werte gemessen:

R = 99,77 %
T = 0,09 % "
V= 0,14 %

Das Reflexionsmaximum beider Spiegel lag bei

Die Spiegel wurden sodann in einem evakuierbaren Ofen bei einem Unterdruck von β χ 10" Torr 2 Stunden lang auf 300° C erhitzt

Λ 0 9 8 1 3/0780

und verblieben weitere 2 Stunden im Ofen um abzukühlen. Der Ein-'lass von Luft erfolgte erst in-kaltem Zustand, Darauf ergaben sich folgende Werte für die Reflexion und Transmission der so behandelten Spiegel:

R = 99,77 % bzw. R = 99,77 %

T = 0,11 % . T = 0,07 %

V = 0,12 # V = 0,16 %

Das bedeutet, dass im Rahmen der Messgenauigkeit die beiden Spiegel durch das Tempern keine nennenswerte Aenderungen erfahren haben.

Im Gegensatz dazu wurden bei einem Vergleichsspiegel aus 21 Schichten abwechselnd aus TiOp und SiOp (d.h. ohne ZrOp-Schichten) die folgenden Werte gemessen:

Vor der Temperung:

R = 99,65 # T = 0,32 #

V = 0,03 %

Dieser Vergleichsspiegel wurde ebenfalls bei 10" Torr" 2 Stunden lang bei* 300 auf die gleiche V/eise wie für die vorerwähnten Spiegel beschrieben getempert. Man erhielt nach dieser Temperung dann die folgenden Messwerte:

409813/0780

2336043

R = 99,^;*2 %
•τ= 0,17 ^

V = 0,²U %

Die Messungen zeigen also ein starkes Anwachsen der Verluste dieses Vergleichsspiegels.

Bei Verwendung von weniger Einzelschichten erhält man Sehiehtsysteme mit einer geringeren Reflexion und dementsprechend erhöhter Transmission z.B. mit nur 1J> bis 17 Schichten, eine Reflexion zwischen 95 und 99 %. Solche teilweise durchlässigen Schichtsysteme besitzen ebenfalls viele Anwendungsmöglichkeiten und es kann auf sie gleichermassen die Erfindung angewendet werden, indem wenigstens 3 der obersten auf der von der Unterlage abgewandten Seite des Systems liegenden hochbrechenden Schichten aus Zirkonoxid ausgebildet werden.

Es ist nicht zu empfehlen, im einzelnen AnwendungsffiLl mehr Titanoxidschichten durch ZrOp-Schichten im System zu ersetzen, als jeweils erforderlich ist, denn ZrO₀ besitzt einen kleineren Brechungsindex als TiOp und es wUrde daher eine unnötige und unerwünschte Erhöhung der Schicht zahl bedeuten, wenn über- -den Erfindungs^v/eek hinaus v/eitere TiOp-Schichten des.Systems durch ZrO_?- Schichten ersetzt würden.

4098 1 3/0780

Die überraschende Wirkung einiger weniger ZrOp-Schichten an der •angegebenen Stelle im Sohichtsystem beruht möglicherweise auch darauf., dass es gar nicht notwendig ist, die näher der Unterlage zu befindlichen TiOp-Schichten gegen jedwede Veränderung zu schützen. Im Anwendungsfalle eines Spiegels sind nämlich für die Verluste die äussersten Schichten wesentlich stärker massgebend, obwohl zur Erzielung einer hinreichend hohen Reflexion auf die darunterbefindlichen Schichten nicht verzichtet werden kann. Diese brauchen aber dann nicht jenen hohen Grad der Verlustfreiheit zu besitzen bzw. bewahren, wie dies für die äusseren Schichten der Fall ist.

Für die niederbrechendeh Schichten des Systems besteht, wie die Erfahrung zeigt, das Problem der Erhöhung der Verluste bei Temperatureinwirkung nicht, Hiefür stehen bekanntlich stabile Schichtsubstanzen zur Verfügung, insbesondere haben sich Schichten aus

und Si₀O., bewährt.
2 3

409813/0780

Claims (3)

PATENTANSPRUECHE

1. Aus abwechselnd hoch- und niederbrechenden-Oxidschichte η aufgebautes verlustarmes, hochreflektierendes Vielschichtsystem, dessen niederbrechende Schichten aus einem absorptionsarmen Oxid des Siliciums. bestehen und das hochbrechende Schichten aus Titanoxid enthält, dadurch gekennzeichne t , dass wenigstens die 3 letzten auf der von der Unterlage abgewandten Seite des Systems gelegenen hochbrechenden Schichten aus Zirkonoxid bestehen.

2. Vielschi chtsys tem nach Patentanspmchl,d adurch gekennzeichne t, dass die Summe der Dicken der Zirkonoxidschichten wenigstens 2oo nm beträgt.

3. Vielschichtsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkonoxidschichten

eine Dicke d = =· A besitzen, wobei η den Brechungsindex

η 4

des Schicht und λ die Wellenlänge des Reflexionsmaximums bedeutet.

PR 72 11

40981 3/0780