DE69831055T2

DE69831055T2 - Antireflektierende Beschichtungen

Info

Publication number: DE69831055T2
Application number: DE69831055T
Authority: DE
Inventors: Ronald E. Laird; Charles K. Antioch Carniglia
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: EP0933654B1; EP0933654A3; US6074730A; JPH11271507A; DE69831055D1; EP0933654A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mehrschichtige Antireflexbeschichtungen und insbesondere mehrschichtige Antireflexbeschichtungen für sichtbares Licht oder Licht nahe dem Infrarotbereich, welche durch Zerstäubung auf transparenten oder semitransparenten Substraten aufgebracht werden.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Antireflexbeschichtung für ein transparentes oder semitransparentes Substrat, welche eine erste Schicht umfasst, die unmittelbar an dem Substrat anliegt und deren Brechungsindex größer als 1,9 ist; eine zweite Schicht, die Siliciumdioxid umfasst; eine dritte Schicht, deren Brechungsindex größer als 2,1 ist; und eine vierte Schicht, die Siliciumdioxid umfasst.
Die einfachste Antireflex(AR)-Beschichtung ist eine einzelne Schicht eines transparenten Materials, welche einen Brechungsindex n aufweist, der kleiner ist als der des Substrates, auf welchem sie aufgebracht wird. Gemäß J. Strong, „On a Method of Decreasing the Reflection from Nonmetallic Substrates", J.Opt.Soc.Am., Bd. 26, Januar 1936, S. 73-74, ist der optimale Index n für die Schicht gleich der Quadratwurzel des Indexes des Substrates. Die optische Dicke der Schicht (das n-fache der tatsächlichen Dicke d der Schicht) beträgt typischerweise etwa ein Viertel der zentralen Wellenlänge des Spektralbereiches, für welchen die Reflexion verringert werden soll. Für sichtbares Licht beträgt diese zentrale Wellenlänge etwa 510 bis 520 nm. Solch eine einschichtige Beschichtung erzeugt eine minimale Reflexion bei der zentralen Wellenlänge. Bei allen anderen in der Nähe liegenden Wellenlängen ist die Reflexion höher als der Minimalwert, aber niedriger als die Reflexion des unbeschichteten Substrates. Das Beschichten eines Glassubstrates mit einem Brechungs index von 1,52 mit einer Lambda-Viertelschicht aus MgF₂, welche einen Index von 1,38 aufweist, verringert die Reflexion des Glases von etwa 4,26 % auf etwa 1,26 bei der zentralen Wellenlänge.
Mehrschichtige AR-Beschichtungen werden typischerweise durch Aufbringen zweier oder mehrerer Schichten transparenter nichtleitender Materialien auf ein Substrat hergestellt. Eine Art der mehrschichtigen AR-Beschichtung besteht aus Schichten mit niedrigeren Brechungsindizes als das Substrat, wobei die Schichten vom Substrat nach außen in der Reihenfolge eines absteigenden Brechungsindex angeordnet sind. Siehe L. Young, „Anti-reflection Coatings on Glass", Applied Optics 4, 366-367 (1965), und US-Patentschrift 5,262,633. Die üblichere mehrschichtige AR-Beschichtung enthält eine oder mehrere Schichten mit Brechungsindizes, die höher sind als der Brechungsindex des Substrates. Die einfachste derartige mehrschichtige AR-Beschichtung besteht aus zwei Schichten. Die erste Schicht auf dem Substrat ist eine Schicht mit hohem Index, welche eine optische Dicke aufweist, die geringer ist als eine Viertelwelle bei der zentralen Wellenlänge – siehe zum Beispiel US-Patentschriften 2,281,474 und 2,782,676. Solch eine Beschichtung kann im Allgemeinen eine Nullreflexion bei der zentralen Wellenlänge erzielen. Der Nachteil dieser Art Beschichtung ist, dass sich auf jeder Seite der zentralen Wellenlänge die Reflexion stark vergrößert. Daher sind, wenn die zentrale Wellenlänge im sichtbaren Spektrum liegt, die Reflexionswerte bei einigen Wellenlängen im sichtbaren Spektrum viel höher als für die einschichtige AR-Beschichtung und in einigen Fällen höher als für das unbeschichtete Substrat selbst. Wegen der V-Form der Reflexionskurve wird diese Art der Reflexionsbeschichtung häufig als V-Beschichtungs-Design bezeichnet.
Ein spezieller Fall der zweischichtigen AR-Beschichtung tritt auf, wenn die Schicht mit hohem Index einen bestimmten Wert des Brechungsindex aufweist. Es soll n_H den Index der Schicht mit hohem Index bezeichnen; n_L den Index der Schicht mit niedrigem Index und n_S den Index des Substrates. Dann, wenn n_H ² = n_Sn_L ², betragen die richtigen optischen Dicken der Schichten mit hohem und niedrigem Index beide ein Viertel der zentralen Wellenlänge, um bei der zentralen Wellenlänge eine Nullreflexion zu ergeben. Dieses Design wird manchmal als Quarter-Quarter(QQ)-AR-Beschichtung bezeichnet – siehe Musset u.a., "Multi-layer Anti-reflection Coatings", Progress in Optics 8, S. 201-237 (1970). Wenn zum Beispiel das Glassubstrat einen Brechungsindex n_S von 1,52 aufweist, und die äußere Schicht mit niedrigem Index einen Index n_L = 1,38 aufweist, dann beträgt der richtige Index n_H der Schicht mit hohem Index für das QQ-Design 1,70. Ein Weg, die Funktion des QQ-Designs zu beschreiben, ist zu sagen, dass die erste Schicht mit hohem Index den effektiven Index des Substrates derart auf einen Wert erhöht, dass die zweite Schicht mit niedrigem Index eine perfekte AR-Beschichtung bei der zentralen Wellenlänge bereitstellen kann.
Eine einfache Breitband-AR-Beschichtung besteht aus drei Schichten. Die erste Schicht der dreischichtigen AR-Beschichtung, welche auf das Glassubstrat aufgetragen wird, weist im Allgemeinen einen mittleren Brechungsindex auf, insbesondere höher als der des Substrats, und eine optische Dicke, welche etwa ein Viertel der zentralen Wellenlänge beträgt. Die zweite Schicht weist einen hohen Brechungsindex auf, insbesondere höher als der der ersten Schicht, und eine optische Dicke, welche etwa die Hälfte der zentralen Wellenlänge beträgt. Die dritte Schicht weist einen niedrigen Brechungsindex auf, insbesondere niedriger als der der ersten Schicht und im Allgemeinen niedriger als der des Substrats, und eine optische Dicke, welche ein Viertel der zentralen Wellenlänge beträgt. Das dreischichtige Design wird in den US-Patentschriften 2,478,385 und 3,185,020 beschrieben, und bei Lockhart u.a., „Three-Layered Reflection Reducing Coatings", J.Opt.Soc.Am. 37, S. 689-694 (1947). Diese dreischichtige AR-Beschichtung wird oft als Quarter-Half-Quarter(QHQ)-Design bezeichnet. Ein Weg, die Funktion des QHQ-Designs zu beschreiben, ist zu sagen, dass die erste Schicht mit mittlerem Index den effektiven Index des Substrats erhöht, die zweite Schicht mit hohem Index die Breitbandeigenschaften liefert und die dritte Schicht mit niedrigem Index die Antireflexeigenschaft liefert.
Ein Nachteil des dreischichtigen Designs ist, dass die Brechungsindizes der drei Schichten bestimmte Werte aufweisen müssen, um die optimalen Leistungseigenschaften zu erzielen. Die Auswahl und Steuerung des Brechungsindex der ersten Schicht ist besonders wichtig. Eine Abweichung von bestimmten Brechungsindex-Werten kann nicht durch Variieren der Schichtdicken ausgeglichen werden.
Verschiedene Modifikationen der dreischichtigen AR-Beschichtung sind vorgenommen worden, um diesen Nachteil zu überwinden. Zum Beispiel kann man die zweite Schicht aus einem Gemisch zweier Materialien bilden, um den optimalen Brechungsindex zu erzielen, wie in US-Patentschrift 3,604,784 offenbart. Man kann die zweite Schicht durch zwei Schichten mit hohem Index ersetzen, von denen jede eine optische Dicke aufweist, welche ein Viertel der zentralen Wellenlänge beträgt, wie in US-Patentschrift 3,463,574 offenbart. Eine vierte Schicht mit einem niedrigeren Brechungsindex als der des Substrats und einer optischen Dicke der Hälfte der zentralen Wellenlänge kann zwischen der Schicht mit mittlerem Index und dem Substrat hinzugefügt werden, wie in US-Patentschrift 3,781,090 offenbart. Eine Vielfalt von AR-Beschichtungen, umfassend viertelwellen- und halbwellendicke Schichten verschiedener Brechungsindizes, ist bei Musset u.a. (1970) und bei Baumeister u.a., "Application of Linear Programming to Anti-reflection Coating Design", J.Opt.Soc.Am. 67, S. 1039-1045 (1977) beschrieben.
Eine andere Breitband-AR-Beschichtung wurde von Millendorfer in US-Patentschrift 3,235,397 offenbart. Diese AR-Beschichtung besteht aus vier oder mehr abwechselnden Schichten zweier Materialien, welche abwechselnd einen hohen und einen niedrigen Brechungsindex aufweisen. Unter Anwendung dieses Ansatzes können Breitband-AR-Beschichtungseigenschaften erzielt werden, wobei eine Reihe von Materialien mit hohem Index benutzt werden, wenn das Material mit niedrigem Index einen Brechungsindex ähnlich dem von MgF₂ aufweist – typischerweise niedriger als etwa 1,38. Ähnliche AR-Beschichtungen werden in den US-Patentschriften 5,460,888 und 3,761,160 erörtert.
Die oben erörterten AR-Beschichtungen werden im Allgemeinen durch thermisches Aufdampfen aufgebracht. Insbesondere MgF₂ kann nur durch thermisches Aufdampfen einfach aufgebracht werden. Außerdem sind die für das Aufbringen der Schichten durch thermisches Aufdampfen benötigten Zeiten üblicherweise nur ein kleiner Teil der gesamten Produktionszeit. Die Herstellung von Beschichtungen durch thermisches Aufdampfen kann Zeit beinhalten, um die Beschichtungskammer zu evakuieren, Zeit, um die Substrate auf Verfahrenstemperatur zu erwärmen, und Zeit, um die Substrate nach dem Beschichten abzukühlen. Die Anzahl der Schichten in einer AR-Beschichtung, die Schichtdicken und die speziellen Materialien müssen keinen bedeutsamen Einfluss auf die Gesamt-Produktionszeit oder -kosten haben.
Kathodenzerstäubung ist das Verfahren, welches für großflächige kommerzielle Beschichtungsauftragungen am häufigsten verwendet wird. Kathodenzerstäubung beinhaltet das Zerstäuben von Targets ausgewählter Materialien in enger Nachbarschaft starker Magneten unter Verwendung entweder einer Gleich- oder einer Wechselstromversorgung – siehe zum Beispiel die US-Patentschriften 4,166,018 und 4,046,659. Die meisten nichtleitenden Materialien werden reaktiv von einem Metalltarget zerstäubt, unter Verwendung eines reaktiven Zerstäubungsgases wie Sauerstoff. Kathodenzerstäubung kann in einem Durchlaufsystem durchgeführt werden, um thermische Steuerungsbeschichtungen auf Architektur- und Automobilverglasungen und AR-Beschichtungen auf Glas oder Kathodenstrahlröhren (CRTs) aufzubringen, welche für Computermonitore oder Fernsehgeräte verwendet werden. In dem Durchlauf-Zerstäubungssystem gelangen die zu beschichtenden Gegenstände durch eine Beschickungsschleuse und werden dann durch eine Vakuumkammer geleitet, welche eine Reihe von Zerstäubungsquellen, genannt Kathoden oder Targets, enthält. Die Begriffe Kathode und Target werden häufig austauschbar benutzt, aber streng genommen ist das Target das Material, das zerstäubt wird, während die Kathode das Target, die Magnete und die elektrischen Verbindungen enthält, welche erforderlich sind, um das Zerstäubungsverfahren zu ermöglichen. Nach dem Beschichten gelangen die Gegenstände durch eine Austragsschleuse hindurch heraus.
Bei einem Durchlauf-Zerstäubungssystem wird das Erhitzen und das Evakuieren mit dem Beschichten nebenherlaufend vollzogen. Einige Teile werden daher erhitzt (wenn erforderlich), und einige werden evakuiert, während andere beschichtet werden. Die Zeit, welche benötigt wird, um die Schichten aufzutragen, ist daher ein wichtiger Faktor. Diese Zeit hängt von den Schichtdicken und von den Auftragsgeschwindigkeiten der für die Beschichtung gewählten Materialien ab. Wenn die Beschichtung eine dicke Schicht eines Materials mit einer langsamen Auftragsgeschwindigkeit erfordert, wird entweder wegen der langen Zeit, die erforderlich ist, um die Schicht aufzutragen, die Durchsatzleistung des Systems gering sein, oder das Durchlaufsystem wird groß und deswegen teuer sein, weil viele Zersäubungskathoden benötigt werden, um die Schicht schnell genug aufzubringen, um mit der gewünschten Durchsatzleistung Schritt zu halten.
Viele der Materialien, die gewöhnlich in thermischen Aufdampfungsverfahren verwendet werden, insbesondere Fluoride und Sulfide, sind nicht leicht zu zerstäuben. Insbesondere das Material mit niedrigem Index MgF₂ kann in einem Zerstäubungssystem nicht praktisch aufgebracht werden. Außerdem besitzt das Material mit hohem Index TiO₂ eine extrem langsame Auftragsgeschwindigkeit durch Zerstäubung. Daher geht, obwohl TiO₂ ein wünschenswertes Material für das thermische Aufdampfen ist, seine Verwendung in Durchlauf-Zerstäubungssystemen großen Maßstabs mit dem Nachteil einer geringen Durchsatzleistung oder höherer Beschichterkosten einher.
Ein großer Fortschritt bei den früheren AR-Beschichtungen wurde in US-Patentschrift 3,432,225 (Rock) beschrieben. Die Beschichtungen sind aus zwei Beschichtungsmaterialien hergestellt, wobei ein Material einen hohen Brechungsindex aufweist, im Allgemeinen größer als 2, und das andere einen niedrigen Brechungsindex aufweist, im Allgemeinen niedriger als der des Substrats. Die AR-Beschichtung besteht aus vier Schichten. Die erste Schicht, welche unmittelbar am Substrat anliegt, besteht aus dem Material mit hohem Index und weist eine optische Dicke auf, welche etwa ein Zehntel der zentralen Wellenlänge des Antireflexbandes beträgt. Die zweite Schicht vom Substrat aus besteht aus dem Material mit niedrigem Index und weist eine optische Dicke auf, welche etwa ein Zehntel der zentralen Wellenlänge beträgt. Die dritte Schicht vom Substrat aus besteht aus dem Material mit hohem Index und weist eine optische Dicke auf, welche etwa die Hälfte der zentralen Wellenlänge beträgt, und die äußere Schicht besteht aus dem Material mit niedrigem Index und weist eine optische Dicke auf, welche etwa ein Viertel der zentralen Wellenlänge beträgt. Der Vorteil dieser AR-Beschichtungen ist, dass Materialien mit bestimmten Brechungsindex-Werten nicht benötigt werden; die Schichtdicken können so angepasst werden, dass sie einen niedrigen Reflexionswert über das sichtbare Spektrum für eine Reihe möglicher Materialindizes ergeben.
Die Grundlage für das Design dieser AR-Beschichtungen wird in der US-Patentschrift hinsichtlich einer Konstruktion beschrieben, die als Polarkoordinaten-Phasendiagramm bezeichnet wird, verbreiteter als Kreisdiagramm bezeichnet. Für eine Beschreibung des Kreisdiagramms siehe Apfel, „Graphics in Optical Coating Design", Applied Optics 11, 1303-1321 (1972). Ein wichtiges Merkmal dieser AR-Beschichtungen hinsichtlich des Kreisdiagramms ist, dass die dritte Schicht einen vollen Kreis entstehen lässt, welcher vollständig auf der linken Seite des Kreissegmentes der letzten Schicht liegt. Ein Weg, die Funktionsweise dieser AR-Beschichtungen zu beschreiben, ist zu sagen, dass die ersten zwei Schichten den effektiven Index des Substrats erhöhen, die halbwellendicke dritte Schicht die Breitbandeigenschaften liefert und die letzte Schicht die Antireflexeigenschaft liefert. Diese Beschreibung ist ähnlich der für die dreischichtige AR, außer dass die ersten zwei Schichten dieser AR-Beschichtungen die Funktion der ersten Schicht mit mittlerem Index der dreischichtigen AR übernehmen.
Für aufgedampfte Beschichtungen sind die AR-Beschichtungen der US-Patentschrift 3,432,225 eine wirtschaftliche Lösung für das Problem einer Breitband-AR-Beschichtung. Sie erfordert nur zwei Beschichtungsmaterialien, welche verwendet werden können, um AR-Beschichtungen auf Substraten mit einem weiten Bereich von Brechungsindizes aufzubringen. Die dicke Schicht mit hohem Brechungsindex stellt kein Problem dar, weil, wie oben erwähnt wurde, für aufgedampfte AR-Beschichtungen die Auftragszeit normalerweise einen kleinen Teil der Gesamtzeit ausmacht, die erforderlich ist, um eine Beschichtung zu erzeugen. Es gibt mehrere Materialien mit hohem Index, welche für die durch Aufdampfung aufgetragene Schicht mit hohem Index geeignet sind, wie z.B. Ti₂, HfO₂, ZrO₂, Ta₂O₅ und Nb₂O₅, und Mischungen dieser Materialien miteinander oder mit anderen Materialien.
Diese AR-Beschichtungen sind die Basis für die meisten sichtbaren AR-Beschichtungsdesigns geworden. Abhängig von dem Index des Substrates und dem Index des Materials mit niedrigem Index kann es einen optimalen Index für die Halbwellenschicht geben, damit der breiteste Bereich niedriger Reflexion erzielt wird. In einer Abwandlung dieser AR-Beschichtungen kann die dritte Halbwellenschicht in zwei oder mehr Teilschichten verschiedener Brechungsindizes aufgeteilt werden, um die Breite des Bereichs niedriger Reflexion zu verbessern – siehe Laird u.a., „Durable Conductive Anti-reflection Coatings for Glass & Plastic Substrates", Soc. Vacuum Coaters, 39th Annual Technical Conference Proceedings, 381-385 (1996) und US-Patentschrift 4,128,303.
Im Fall der durch Zerstäuben aufgebrachten AR-Beschichtungen ist aus einem optischen Gesichtspunkt TiO₂ ein bevorzugtes Material für die dritte Schicht mit hohem Index, wegen seines hohen Brechungsindexes. TiO₂ weist jedoch eine langsame Auftragsgeschwindigkeit auf. Die langsame Geschwindigkeit wird nur teilweise dadurch kompensiert, dass man das TiO₂ mit einer viel höheren Energie aufträgt. Daher muss dem Auftragen der dicken dritten Schicht durch Zerstäuben eine bedeutsame Zeit und Anzahl an Zerstäuberkathoden gewidmet werden. Ein weiteres Problem taucht beim Zerstäuben von temperaturempfindlichen Materialien auf, wie z.B. ein Kunststofffilm, welcher keine Temperaturen über etwa 60 °C vertragen kann, oder CRTs, welche keinen Temperaturen über etwa 150 °C ausgesetzt werden dürfen. In diesem Fall kann die hohe Energie der TiO₂-Zerstäubungsquellen die Substrate leicht überhitzen. Um ein Überhitzen zu vermeiden, können die TiO₂-Targets bei geringerer Energie betrieben werden, aber nur zu dem Preis eines viel langsameren Beschichtungsverfahrens oder eines Verfahrens, das viel mehr TiO₂-Targets erfordert.
Verschiedene Lösungen für das Problem des Beschichtens der dritten Schicht mit hohem Index in wirtschaftlicherer Weise sind vorgeschlagen worden. Zum Beispiel bietet die Verwendung von Nb₂O₅ an Stelle von TiO₂, wie in den US-Patentschriften 5,372,874 und 5,450,238 offenbart, den Vorteil, dass die Auftragsgeschwindigkeit von Nb₂O₅ etwa zweimal so schnell ist wie die von TiO₂. Die Verwendung von Nb₂O₅ würde daher die Zeit oder die Anzahl an Kathoden, die benötigt wird, um die dritte Schicht mit hohem Index aufzubringen, um einen Faktor 2 verringern. Der Nachteil der Verwendung von Nb₂O₅ ist, dass die Kosten eines Niob-Zerstäubertargets etwa das Fünffache eines ähnlichen Titantargets betragen. In ähnlicher Weise könnten andere Materialien mit hoher Geschwindigkeit für die Schichten mit hohem Index benutzt werden. Eine Alternative ist es, die Halbwellenschicht mit hohem Index in zwei Lambda-Viertel-Schichten aufzuteilen, eine aus TiO₂ und die andere aus einem Material mit hoher Geschwindigkeit wie z.B. ZnO – siehe die US-Patentschriften 5,105,310 und 5,270,858. Während dies eine Verbesserung in den Gesamtkosten der AR-Beschichtung bedeutet, gibt es aber einen Nachteil hinsichtlich der Beschichtungshärte, da ZnO gewöhnlich hydroskopisch ist. Außerdem verbleibt die Viertelwelle aus TiO₂.
In US-5,667,880 wird ein Antireflexfilm offenbart, welcher unmittelbar anliegend an dem Substrat eine erste Schicht aus ITO mit einem Brechungsindex von 1,977 umfasst; eine zweite Schicht, welche Siliciumdioxid umfasst; eine dritte Schicht aus TiO₂ mit einem Brechungsindex von 2,603 und eine vierte Schicht, welche Siliciumdioxid umfasst. Das TiO₂ weist eine Dicke von 95,93 nm auf. Diese Dicke bewirkt eine lange Auftragszeit. Die langsame Geschwindigkeit kann nur durch eine große Anzahl an Zerstäuberkathoden kompensiert werden, was die Kosten erhöht, oder durch ein Aufbringen bei viel höherer Energie mit Problemen für das Substrat.
Bis jetzt basierten alle Versuche, durch Kathodenzerstäubung eine wirtschaftliche Breitband-AR-Beschichtung herzustellen, auf der AR-Beschichtung der US-Patentschrift 3,432,225, welche insbesondere eine dritte Schicht mit hohem Index oder deren Äquivalent aufweist, welches etwa eine Halbwelle dick ist. Die Erfindung befasst sich mit der Bereitstellung einer Breitband-AR-Beschichtung, bei welcher die optische Dicke der dritten Schicht mit hohem Index weniger als eine Viertelwelle beträgt.
Sie befasst sich auch mit der Bereitstellung einer AR-Beschichtung, welche durch eine Durchlauf-Kathodenzerstäubung deutlich wirtschaftlicher herzustellen ist als AR-Beschichtungen, die auf dem AR-Beschichtungsdesign der US-Patentschrift 3,432,225 basieren.
Erfindungsgemäß wird eine Antireflexbeschichtung für ein transparentes oder semitransparentes Substrat bereitgestellt, wobei die zweite Schicht und die vierte Schicht mit weniger als 20 % eines anderen Materials dotiert sind und die dritte Schicht eine optische Dicke von weniger als λ₀/4 besitzt, wobei λ₀ die zentrale Wellenlänge der Antireflexbeschichtung ist und im Bereich von 420 nm bis 1600 nm liegt.
Die Erfindung ist eine AR-Beschichtung, die vorteilhafterweise durch Kathodenzerstäubung gebildet wird. In der vierschichtigen Beschichtung wird bei der Erfindung eine relativ dünne dritte Schicht mit hohem Index verwendet, während Siliciumdioxid als Material für die Schicht mit niedrigem Index verwendet wird. Die Schicht mit hohem Index ist vorzugsweise wegen dessen hohen Index aus TiO₂ hergestellt. TiO₂ zerstäubt jedoch sehr langsam. Die optische Dicke der dritten Schicht mit hohem Index wird bei weniger als einer Viertelwelle für die zentrale Wellenlänge der AR-Beschichtung belassen. Eine dünne dritte Schicht mit hohem Index minimiert die Zerstäubungszeit für die Beschichtung. Der Brechungsindex für Siliciumdioxid ist größer als der Index für MgF₂, welches nur durch Aufdampfen aufgebracht werden kann. Der Brechungsindex von Siliciumdioxid beträgt etwa 1,47, und der Brechungsindex von MgF₂ beträgt etwa 1,38. Wegen dieser Differenz in den Brechungsindizes dieser Materialien ist es nicht offensichtlich, dass eine gute AR-Beschichtung mit einer dritten Schicht mit hohem Index hergestellt werden kann, welche eine optische Dicke aufweist, die geringer ist als eine Viertelwelle, während immer noch Siliciumdioxid als Schicht mit niedrigem Brechungsindex verwendet wird. Tatsächlich weist die erfindungsgemäße AR-Beschichtung eine relativ niedrige gesamte sichtbare Reflexion auf. Die erfindungsgemäße AR-Beschichtung weist vorteilhafterweise eine gesamte sichtbare Reflexion auf, die viel kleiner ist als die etwa vier prozentige gesamte sichtbare Reflexion von unbehandeltem Glas. Obwohl die AR-Beschichtung der Erfindung nicht solch eine niedrige gesamte sichtbare Reflexion wie die AR-Beschichtung in US-Patentschrift 3,432,225 aufweist, welche für die dritte Schicht mit hohem Index eine halbwellige optische Dicke verwendet, ist die AR-Beschichtung der Erfindung viel wirtschaftlicher für die Durchlauf-Kathodenzerstäubung. Die Dicke der dritten Schicht mit hohem Index kann im Allgemeinen um mehr als die Hälfte verringert werden. Dies kann Durchlauf-Zerstäubungssysteme mit weniger Zerstäubungskathoden ermöglichen, um die dritte Schicht mit hohem Index zu bilden, und ermöglicht eine Erhöhung der Durchlaufgeschwindigkeit. Die Reflexionsniveaus, die durch die AR-Beschichtung der Erfindung erzielt werden, sind für einen weiten Anwendungsbereich geeignet, unter anderem Computerbildschirme.
In einer ersten Ausführungsform umfasst die AR-Beschichtung eine erste Schicht, welche unmittelbar an dem Substrat anliegt und aus einem Material mit einem mittleren Index besteht, welches einen Index größer als 1,9 aufweist, eine zweite Schicht, die aus Siliciumdioxid mit weniger als 20 Prozent anderen Materialien besteht, eine dritte Schicht, welche eine Schicht mit hohem Index ist und einen Brechungsindex größer als 2,1 aufweist, wobei die optische Dicke der dritten Schicht mit hohem Index weniger als eine Viertelwelle bei der zentralen Wellenlänge der AR-Beschichtung beträgt, und eine vierte Schicht, die aus Siliciumdioxid mit weniger als 20 Prozent anderen Materialien besteht. Die optischen Dicken der ersten und zweiten Schicht betragen vorzugsweise ebenfalls weniger als eine Viertelwelle.
In einer anderer Ausführungsform der Erfindung wird eine erste Schicht mit mittlerem Index verwendet, welche eine andere Zusammensetzung aufweist als die dritte Schicht mit hohem Index. Es hat sich herausgestellt, dass die gesamte sichtbare Reflexion der AR-Beschichtung durch Verwendung einer ersten Schicht mit mittlerem Index anstatt einer ersten Schicht mit hohem Index nicht bedeutsam verändert wird. In der Zerstäubungsumgebung können Materialien mit mittlerem Index typischerweise mit höheren Geschwindigkeiten zerstäubt werden und sind daher wirtschaftlicher als Materialien mit hohem Index. Außerdem kann ein elektrisch leitfähiges Material wie zinndotiertes Indiumoxid (Indiumzinnoxid, Sn:In₂O₃, ITO) oder aluminiumdotiertes Zinkoxid (Al:ZnO, AZO) als erste Schicht mit mittlerem Index verwendet werden. Dies ist wichtig für Anwendungen wie CRT-Beschichtungen, bei welchen die Beschichtung einen bestimmten Grad elektrischer Leitfähigkeit aufweisen muss.
In einer anderen Ausführungsform ist die erste Schicht eine Schicht mit mittlerem Index, deren Brechungsindex größer als 1,9 ist, die zweite Schicht ist eine Schicht mit niedrigem Index, welche einen niedrigeren Index als die erste Schicht aufweist, die dritte Schicht ist eine Schicht mit hohem Index, deren Brechungsindex größer als 2,1 ist, mit einer optischen Dicke, die geringer ist als eine Viertelwelle bei der zentralen optischen Wellenlänge der AR-Beschichtung, wobei die dritte Schicht mit hohem Index eine andere Zusammensetzung als die erste Schicht mit mittlerem Index aufweist, und eine vierte Schicht mit niedrigem Index, welche einen niedrigeren Brechungsindex als die erste Schicht aufweist. Vorzugsweise kann die erste Schicht aus Indiumzinnoxid hergestellt sein, die zweite Schicht aus Siliciumdioxid, die dritte Schicht aus Titandioxid und die vierte Schicht aus Siliciumdioxid.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine absorbierende Schicht verwendet. Zum Beispiel kann einiges der dritten Schicht mit hohem Index durch Materialien mit einem gemäßigten Absorptionsgrad ersetzt werden wie z.B. Nickeloxid (NiO_x), Nickelchromoxid (NiCrO_x) oder Nickelvanadiumoxid (NiVO_x). Dies kann die benötigte Menge des Materials mit hohem Brechungsindex verringern, zusätzlich zum Bereitstellen der Absorption. Die absorbierende Schicht kann auf jeder Seite der dritten Schicht mit hohem Brechungsindex angeordnet sein.
Es wird nun, lediglich auf dem Wege beispielhafter Veranschaulichung, Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, welche folgenden Inhalt haben:
1 ist ein Diagramm, welches das vierschichtige System der Erfindung veranschaulicht.
2 ist ein Schaubild, welches für eine Ausführungsform der Erfindung die Reflexion als Funktion der Wellenlänge veranschaulicht und sie mit der Reflexion einer Breitband-AR-Beschichtung mit einer halbwelligen Schicht mit hohem Index vergleicht.
3 ist ein Schaubild, welches für eine AR-Beschichtung aus zwei Materialien, bei welcher SiO₂ als Material mit niedrigem Index verwendet wird, die optimale Verbesserung als Funktion des Brechungsindex des Materials mit hohem Index über den Bereich von 1,7 bis 2,7 veranschaulicht.
4 ist ein Schaubild der optischen Dicke der dritten Schicht für das optimierte Design, dessen Verbesserungsfunktion in 3 aufgetragen ist.
5 ist ein Kreisdiagramm für eine Breitband-AR-Beschichtung des Standes der Technik.
6 ist ein Kreisdiagramm für die Erfindung bei der zentralen Wellenlänge des Bandes niedriger Reflexion.
7 ist ein Diagramm, welches eine Verbesserungsfunktion gegen die optische Dicke der dritten Schicht mit hohem Index darstellt.
8 ist ein Schaubild, welches eine Verbesserungsfunktion gegen die optische Dicke der dritten Schicht mit hohem Index für eine optische Dicke der dritten Schicht von weniger als einer Viertelwelle darstellt.
9 ist ein Diagramm, welches ein Durchlauf-Zerstäubungssystem für die Herstellung einer elektrisch leitfähigen vierschichtigen AR-Beschichtung veranschaulicht.
10 ist ein Schaubild, das die gemessene Reflexion als Funktion der Wellenlänge für eine AR-Beschichtung veranschaulicht, welche gemäß der Ausführungsform der Erfindung, die in Tabelle 3 aufgelistet ist, hergestellt ist.
11 ist ein Schaubild, das die gemessene Reflexion als Funktion der Wellenlänge für eine AR-Beschichtung veranschaulicht, welche gemäß der Ausführungsform der Erfindung, die in Tabelle 7 aufgelistet ist, hergestellt ist.
Wie schematisch in 1 dargestellt, enthält das vierschichtige System 20 der Erfindung die Schichten 26, 28, 30 und 32. Das System kann auf einer Oberfläche 24 eines Substrats 22 aufgebracht sein, welches transparent sein kann oder Licht absorbieren kann. In 1 sind die Schichtdicken der Schichten 26, 28, 30, 32 schematisch in vertikaler Richtung abgebildet, und die angegebenen Dicken sind annähernd proportional zu einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Breite jeder Schicht in horizontaler Richtung ist proportional zu dem angenäherten Brechungsindex der Schicht in dieser bevorzugten Ausführungsform gezeichnet. Die Dicke und die hintere Fläche des Substrats 22 sind nicht dargestellt. Das Substrat 22 kann Glas oder Kunststoff sein und weist vorzugsweise einen Brechungsindex zwischen etwa 1,45 und 1,65 auf. Ohne eine Beschichtung weist eine solche Substratoberfläche eine Reflexion zwischen etwa 3,4 und etwa 6 % auf. Der Zweck der Beschichtung ist es, die maximale Reflexion des Substrates auf einen Wert unterhalb eines gewissen Wertes wie etwa 0,6 % zu verringern, über einen Spektralbereich in Nachbarschaft einer gewissen zentralen Wellenlänge. Diese Art von Beschichtung wird gewöhnlich als Antireflex- oder AR-Beschichtung bezeichnet, und die Erfindung betrifft insbesondere Breitband-AR-Beschichtungen.
Das Band niedriger Reflexion bezeichnet den Teil des Spektralbereichs, über welchen die Reflexion der AR-Beschichtung geringer als ein gewisser spezieller Wert wie z.B. 0,6 % ist. Der spezielle Wert ist normalerweise ein kleiner Bruchteil der Reflexion des unbeschichteten Substrats; zum Beispiel klein verglichen mit der Reflexion von 4,26 % des unbeschichteten Glases. Das Band niedriger Reflexion könnte auch den Spektralbereich bezeichnen, welcher im Konstruktionsverfahren verwendet wurde. Insbesondere können als Teil des Konstruktionsverfahrens die Schichtdicken optimiert werden, um über einen bestimmten Spektralbereich eine möglichst niedrige Reflexion zu ergeben. Das Band niedriger Reflexion wird typischerweise in Form zweier Randwellenlängen definiert, welche die obere und untere Grenze des Wellenlängenbereichs sind. Für eine Breitband-AR-Beschichtung ist das Verhältnis der oberen Wellenlängengrenze zur unteren Wellenlängengrenze größer als etwa 1,4 oder mehr. Der Begriff „Band niedriger Reflexion" ist synonym mit „Region niedriger Reflexion" und „Bereich niedriger Reflexion".
Die zentrale Wellenlänge einer Spektralregion ist definiert als die Wellenlänge, die der mittleren Wellenzahl der Ränder der Spektralregion entspricht. Die Wellenzahl ist der reziproke Wert der Wellenlänge. Wenn λ₁ und λ₂ die Grenzen der Spektralregion sind, ist die zentrale Wellenlänge λ₀ daher gegeben durch
Zum Beispiel ist für das sichtbare Spektrum, definiert als sich erstreckend von 400 nm bis 700 nm, die zentrale Wellenlänge etwa 510 nm. Für eine AR-Beschichtung, welche über den Bereich von 435 nm bis 655 nm optimiert wird, beträgt λ₀ etwa 520 nm. Die zentrale Wellenlänge kann auch als Design-Wellenlänge bezeichnet werden. Die erste Schicht 26 auf der Substratoberfläche 24 weist einen mittleren oder hohen Brechungsindex auf, was größer als 1,9 bedeutet, und eine optische Dicke, welche vorzugsweise geringer ist als ein Viertel der zentralen Wellenlänge der AR-Beschichtung. Die zweite Schicht 28 weist einen niedrigen Brechungsindex auf, typischerweise niedriger als etwa 1,5, und eine optische Dicke, die vorzugsweise weniger als ein Viertel der zentralen Wellenlänge beträgt. Die dritte Schicht 30 unterscheidet die Erfindung von der AR-Beschichtung aus US-Patentschrift 3,432,225 und anderen Standard-Breitband-AR-Beschichtungen. Sie weist einen hohen Brechungsindex auf, welcher größer als etwa 2,1 ist, und eine optische Dicke, die geringer ist als ein Viertel der zentralen Wellenlänge. Die optische Dicke der dritten Schicht mit hohem Index kann geringer als ein Sechstel, ein Siebtel oder sogar ein Achtel der zentralen Wellenlänge sein. Die vierte Schicht 32 weist einen niedrigen Brechungsindex auf, typischerweise denselben wie der der zweiten Schicht 28, und weist vorzugsweise eine optische Dicke auf, die gleich oder geringfügig größer ist als etwa ein Viertel der zentralen Wellenlänge.
Für eine AR-Beschichtung, die durch Zerstäubungsauftragen hergestellt wird, besteht die vierte Schicht mit niedrigem Index vorzugsweise aus Siliciumdioxid mit weniger als 20 % anderen Materialien. Typischerweise enthält das Siliciumtarget eine kleine Menge eines leitfähigen Materials, wie z.B. fünf bis fünfzehn Prozent Aluminium oder 0,5 % Bor, um das Siliciumtarget leitfähig zu machen und zu ermöglichen, dass das Material mit Gleichstrom- oder Wechselstromzerstäubung mittlerer Frequenz zerstäubt wird. Die Verwendung von SiO₂ als Material mit niedrigem Index erlegt den durch Zerstäubung aufgebrachten AR-Beschichtungen einige Beschränkungen auf, welche für AR-Beschichtungen, die durch Aufdampfen aufgebracht sind und MgF₂ als Material mit niedrigem Brechungsindex verwenden, nicht vorliegen. Die Erfindung zielt darauf ab, diese Beschränkungen zu überwinden.
Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist es, dass die erste und die dritte Schicht unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen können. Während die dritte Schicht auf Materialien mit hohen Brechungsindizes beschränkt ist, welche typischerweise langsame Zerstäubungs-Auftragsgeschwindigkeiten aufweisen, kann die erste Schicht aus einem Material mit mittlerem Index und mit einer viel höheren Auftragsgeschwindigkeit hergestellt sein. Die Verwendung des Hochgeschwindigkeitsmaterials für die erste Schicht hat keinen nachteiligen Effekt auf die Reflexion der AR-Be schichtung. Die Verwendung des Hochgeschwindigkeitsmaterials für die erste Schicht ist wichtig zum Verringern der Kosten der Beschichtung, welche durch Durchlauf-Zerstäubungsauftragung hergestellt wird. Außerdem kann die erste Schicht aus einem leitfähigen Material wie Indiumzinnoxid gebildet sein. Dies ist wichtig für Beschichtungen, welche eine gewisse Leitfähigkeit erfordern, um die statische Aufladung zu verringern, wie z.B. CRT-Beschichtungen.
Die Schichten stellen sich vorzugsweise wie folgt dar: es wird angenommen, dass die erste Schicht einen mittleren Brechungsindex von 2,0 aufweist. Ein solches Material könnte SnO₂ oder ZnO sein, welches eine hohe Zerstäubungs-Auftragsgeschwindigkeit aufweist, oder ITO oder AZO, welches transparent und elektrisch leitfähig ist. Das Material mit niedrigem Index für die Schichten 28 und 32 weist einen Index von 1,47 auf. Solch ein Material ist vorzugsweise zerstäubtes SiO₂ mit einer geringen Menge Al₂O₃. Das Material mit hohem Index für die dritte Schicht 30 weist einen Index von 2,6 auf, typisch für zerstäubtes TiO₂. Es wird angenommen, dass das Glassubstrat 22 einen Brechungsindex von 1,52 aufweist.
Zu Zwecken der Veranschaulichung wird eine AR-Beschichtung zur Verwendung im sichtbaren Spektrum entworfen. Die Vorgabe ist, dass die Beschichtung eine minimale Reflexion über den Bereich von 430 nm bis 655 nm aufweisen soll. Die zentrale Wellenlänge beträgt dann 520 nm. Die Verbesserungsfunktion, die minimiert werden soll, ist der quadratische Mittelwert der Reflexion, berechnet in 15-nm-Intervallen über den Spektralbereich. Die optische Dicke der dritten Schicht mit hohem Index wird unterhalb einer Viertelwelle bei 520 nm belassen. Das optimale Design für diese Bedingungen unter Verwendung der Materialien mit den Brechungsindizes, wie sie im vorigen Absatz angegeben sind, ist in Tabelle 1 aufgeführt: Tabelle 1
Die Reflexion dieser AR-Beschichtung ist in 2 als durchgezogene Kurve 62 veranschaulicht. Der für diese Kurve berechnete Wert der Verbesserungsfunktion beträgt 0,27 %, und der Spektralbereich zwischen den Werten gleicher Reflexion von 0,6 % ist 428 nm bis 657 nm, was die Bedingung für eine Breitband-AR erfüllt. Die gesamte optische Dicke der Beschichtung beträgt 2,7 Viertelwellen oder 0,676 einer Wellenlänge bei 520 nm.
Man beachte, dass sich die Dicke der dritten Schicht von dem Standard-Rock-Design ziemlich unterscheidet. Im Standard-Breitband-AR-Beschichtungsdesign ist die dritte Schicht mit hohem Index typischerweise mehr als viermal dicker als die 23,2 nm dicke dritte Schicht 30 der Erfindung.
Wie in den Kurven der 2 sehen kann, ist die Kurve 62 der Reflexion der Erfindung nicht ganz so niedrig wie die Kurve 64 der Reflexion einer Standard-Breitband-AR-Beschichtung mit einer halbwelligen dritten Schicht mit hohem Index. Ebenso ist das Band niedriger Reflexion der Standard-Breitband-AR-Beschichtung geringfügig breiter als das Band niedriger Reflexion der Erfindung. Die Reflexion der Erfindung liegt jedoch deutlich unterhalb der Reflexion des unbeschichteten Substrats und ist für einen breiten Anwendungsbereich ausreichend. Zum Beispiel besteht ein gewöhnlicher Computermonitor aus einer Kathodenstrahlröhre oder CRT. Die Reflexion des Raumlichtes von der Oberfläche bedeutet für den Benutzer eine Verwirrung und die Möglichkeit der Überanstrengung der Augen. In den Anfängen des Computers war das Bild auf dem Bildschirm hauptsächlich schwarz mit weißer oder farbiger Schrift. Für solch eine Anwendung ist die sehr niedrige Reflexion, die von der Standard-Breitband-AR-Beschichtung bereitgestellt wird, ein Vorteil. In neueren Zeiten zeigen Textverarbeitungs- und Tabellenkalkulationsprogramme einen weißen Hintergrund mit schwarzer oder farbiger Information an. In diesem Fall ist das Erfordernis extrem niedriger Reflexion gelockert, und der Reflexionsgrad, der von der Erfindung bereitgestellt wird, ist mehr als ausreichend, um die Leistungseigenschaften des Monitors zu verbessern. Wegen der Verringerung der Dicke der dritten Schicht mit hohem Index sind die Kosten der AR-Beschichtung, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde, deutlich niedriger als die Kosten der vierschichtigen Standard-AR-Beschichtung. Diese Kostenersparnis überwiegt den leichten Vorteil der geringeren Leistung, der von der vierschichtigen Standard-AR-Beschichtung bereitgestellt wird.
Der Fall wird nun für Beschichtungen betrachtet, welche durch Kathodenzerstäubung hergestellt sind. In diesem Fall kann MgF₂ nicht als Material mit niedrigem Index verwendet werden. Stattdessen wird SiO₂ mit einem Brechungsindex von 1,47 als Material mit niedrigem Index verwendet. Der Fachmann auf dem Gebiet der AR-Beschichtungsdesigns würde erwarten, dass eine AR-Beschichtung, welche mit SiO₂ hergestellt ist, wegen des höheren Brechungsindex des SiO₂ nicht so gut ist wie eine, die mit MgF₂ hergestellt ist.
Kurve 44 der 3 veranschaulicht für eine AR-Beschichtung aus zwei Materialien, bei welcher SiO₂ als Material mit niedrigem Index verwendet wird, die optimale Verbesserung als Funktion des Brechungsindex des Materials mit hohem Index über den Bereich von 1,7 bis 2,7. Die Verbesserungsfunktion liegt für Werte des hohen Brechungsindex von größer als 2,1 unterhalb von 0,3 %, aber für niedrigere Werte erhöht sich die Verbesserungsfunktion schnell. Obwohl die Leistungseigenschaften der AR-Beschichtung mit SiO₂ nicht ganz so gut sind wie die Leistungseigenschaften der Beschichtung mit MgF₂, sind sie doch gut genug für einen breiten Anwendungsbereich. Der Bereich der Materialien mit hohem Index ist jedoch hinsichtlich zerstäubter Beschichtungen stark eingegrenzt. Im Einzelnen sind die gewöhnlichen zerstäubten Materialien mit hohem Index mit Indizes über 2,1 TiO₂ mit einem Index im Bereich von 2,4 bis 2,6, Nb₂O₅ mit einem Index von etwa 2,27 und Ta₂O₅ mit einem Index von etwa 2,15. TiO₂ weist die langsamste Zerstäubungsgeschwindigkeit der gewöhnlich verwendeten Zerstäubungsmaterialien auf, und Nb₂O₅ und Ta₂O₅ weisen etwa die doppelte Zerstäubungsgeschwindigkeit des TiO₂ auf. Insbesondere Materialien wie SnO₂ und ZnO, welche sechs bis 12 Mal schnellere Zerstäubungsgeschwindigkeiten als TiO₂ aufweisen, weisen Brechungsindizes im Bereich von 1,9 bis 2,05 auf, wo die Verbesserungsfunktion nicht so niedrig liegt.
Jeder Punkt in 3 steht für eine vierschichtige AR-Beschichtung. 4 ist ein Schaubild der optischen Dicke der dritten Schicht in Viertelwellen für das optimierte Design, dessen Verbesserungsfunktion in 3 aufgetragen ist.
Wenn zum Beispiel der Brechungsindex der Schicht mit hohem Index 2,6 beträgt, dann beträgt die optische Dicke der dritten Schicht etwa 0,47 Viertelwellen, was im Wesentlichen derselbe Wert ist wie in Tabelle 1 angegeben. Die optische Dicke der dritten Schicht erhöht sich, wenn der Brechungsindex sich verringert, und pegelt sich ein bei einem Wert von etwa 1,17 Viertelwellen für niedrigere Indizes als 2,12. Im Fall zerstäubter Beschichtungen geht die der Schicht mit hohem Index mit einem niedrigeren Index hinzugefügte Dicke mit dem Nachteil erhöhter Beschichtungskosten einher. Um die Beschichtungskosten zu verringern, würde man die optische Dicke der Schicht mit hohem Index gern auf einen Wert geringer als eine Viertelwelle beschränken. Diese Beschränkung grenzt den Bereich der verfügbaren Materialien mit hohem Index weiter ein auf jene mit Brechungsindizes oberhalb von etwa 2,2; namentlich TiO₂ und Nb₂O₅.
Die Einschränkung der langsamen Zerstäubungsgeschwindigkeit des Materials mit hohem Index kann durch die Erfindung in deutlichem Maß überwunden werden. Weitere Optimierungsuntersuchungen entlang des Weges jener, die zu 3 und 4 führen, zeigen, dass nur die dritte Schicht den hohen Index aufweisen muss, um die niedrigen Verbesserungsfunktionen zu erzielen, die in 3 veranschaulicht sind. Die Verbesserungsfunktion bleibt im Wesentlichen unverändert, wenn die erste Schicht einen Brechungsindex im Bereich von 1,9 bis 2,7 aufweist. Ein Hochgeschwindigkeitsmaterial wie SnO₂ oder ZnO kann daher für die erste Schicht verwendet werden, was die Zerstäubungszeit und somit die Kosten der durch Zerstäubung aufgetragenen Beschichtung verringert. Das Design, welches in Tabelle 1 aufgeführt ist, weist zum Beispiel eine erste Schicht mit dem Index 2 und eine dritte Schicht mit dem Index 2,6 auf. Die Verbesserungsfunktion und die Dicke der dritten Schicht sind fast exakt dieselben wie in 5 und 6 für den Index 2,6 angegeben. Die Erfindung bietet daher eine doppelte Einsparung an Zerstäubungszeit gegenüber dem Stand der Technik.
Um den Unterschied zwischen der Erfindung und einer Standard-Breitband-AR-beschichtung mit einer halbwelligen Schicht mit hohem Index vollständiger zu verstehen, werden nun die Kreisdiagramme betrachtet, die in 5 und 6 dargestellt sind. 5 ist das Kreisdiagramm für eine Standard-Breitband-AR-beschichtung und ist an das Kreisdiagramm angelehnt, welches in US-Patentschrift 3,432,225 dargestellt ist. Die horizontale und die vertikale Achse stellen den realen und den imaginären Teil der Amplitudenreflexion dar. Das Kreisdiagramm ist auf eine einzelne Wellenlänge des Lichts anzuwenden, welche die zentrale Wellenlänge sein soll. Die Kurve beginnt bei der Amplitudenreflexion des Substrats 70, welche für Glas mit n = 1,52-0,2063 beträgt, was auf der negativen Realachse 81 liegt. Wenn die erste Schicht dem Substrat hinzugefügt wird, rückt die Amplitudenreflexion entlang des Bogens 72 zu dem Punkt 74 vor. Als nächstes wird die zweite Schicht mit niedrigem Index hinzugefügt, und die Amplitudenreflexion folgt dem Bogen 76 bis zum Punkt 78. Weil dieser Punkt 78 nahe der negativen Realachse 81 liegt, entspricht die Amplitudenreflexion der Amplitudenreflexion eines effektiven Substrates, und weil der Punkt 78 links von dem Punkt 70 liegt, weist das effektive Substrat einen höheren Brechungsindex als das tatsächliche Glassubstrat auf. Die Amplitudenreflexion des effektiven Substrates weist fast genau den richtigen Wert auf, so dass man eine Reflexion von Null hätte, wenn man eine Viertelwelle des Materials mit niedrigem Index hinzufügen würde. Diese Tatsache veranschaulicht graphisch die vorher aufgestellte Behauptung, dass die ersten zwei Schichten der Standard-Breitband-AR-Beschichtung den effektiven Index des Substrats erhöhen. Wenn die dritte Schicht mit hohem Index hinzugefügt wird, dann bewegt sich die Amplitudenreflexion im Uhrzeigersinn entlang eines Kreises 80, welcher im Wesentlichen auf der linken Seite der Segmente liegt, die den ersten zwei Schichten entsprechen. Die Kurve für die dritte Schicht ist ein vollständiger Kreis, weil die Schicht eine optische Dicke aufweist, welche eine Halbwelle ist. Wenn die letzte Schicht mit niedrigem Index hinzugefügt wird, dann rückt die Amplitudenreflexion um den Halbkreis 84 herum zu dem Endpunkt 86 am Ursprungspunkt vor, welcher einem Wert der Reflexion gleich Null entspricht.
Man beachte, dass man, um für jeden Punkt auf dem Kreisdiagramm (Kurven 72, 76, 80 und 84) die Reflexion zu ermitteln, den Abstand der Kurve zum Ursprung misst und den Wert zum Quadrat nimmt. Die Reflexion des Substrates beträgt daher zum Beispiel (-0,2063)² oder 0,0426, was 4,26 % entspricht. Die letzte Amplitudenreflexion an Punkt 86 liegt auf dem Ursprungspunkt, was einer Reflexion von 0 % entspricht. Die Kurve 84 veranschaulicht die Aussage, dass die letzte Schicht die Antireflexeigenschaft liefert.
Das unterscheidende Merkmal der Standard-Breitband-AR-Beschichtung, wie von Rock entdeckt und behauptet, ist die halbwellendicke dritte Schicht, welche den Kreis auf der linken Seite des Diagramms in 5 entstehen lässt. Andere Designs, die an das Rock-AR-Beschichtungsdesign angelehnt sind, weisen eine oder mehrere Schichten auf, die diesen Kreis annähernd nachziehen. wenn zum Beispiel die dritte Schicht in zwei Lambda-Viertel-Schichten mit geringfügig ver schiedenen Brechungsindizes unterteilt wäre, würde das Kreisdiagramm zwei Halbkreissegmente mit leicht unterschiedlichen Radien aufweisen.
Man betrachte die siebenschichtigen AR-Beschichtungen, die in US-Patentschrift 4,313,647 offenbart sind. Die siebenschichtigen Beschichtungen sind speziell für Substrate mit niedrigem Index vorgesehen. Die ersten drei Schichten dieser Beschichtungen fungieren als die zwei indexanpassenden Schichten des Rock-AR-Beschichtungsdesigns. Die nächsten drei Schichten fungieren als Verbreiterungsschicht, und die letzte Schicht ist die Antireflexschicht.
Man vergleiche das obige Verhalten des Kreisdiagramms für die Standard-Breitband-AR-Beschichtung mit dem Verhalten der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus Tabelle 1, welches in 6 veranschaulicht ist. Die Amplitudenreflexion des Substrats findet man bei Punkt 90. Wenn die erste Schicht mit mittlerem Index hinzugefügt wird, rückt die Amplitudenreflexion entlang des Bogens 92 zu dem Punkt 94 vor. Als nächstes wird die zweite Schicht mit niedrigem Index hinzugefügt, und die Amplitudenreflexion folgt dem Bogen 96. Man beachte, dass der Endpunkt 98 dieses Bogens nicht nahe der negativen Realachse 101 liegt. Der Bogen 100, welcher der dritten Schicht mit hohem Index entspricht, ist viel kleiner als ein Kreis, was anzeigt, dass die Schichtdicke weniger als eine Halbwelle betragen muss. Weil der Endpunkt 102 dieses Bogens unterhalb der negativen Realachse 101 liegt, ist der Bogen 104, welcher der letzten Schicht entspricht, mehr als ein Halbkreis, was anzeigt, dass die letzte Schicht mit niedrigem Index geringfügig mehr als eine Viertelwelle dick ist. Der Endpunkt 106 befindet sich nahe dem Ursprungspunkt 108, aber nicht ganz so nah, wie der Endpunkt 86 des Kreisdiagramms der Standard-Breitband-AR-Beschichtung sich dem Ursprungspunkt be findet. Der Abstand zwischen den Punkten 106 und 108 ist 0,059, was einer Reflexion von 0,35 % entspricht. Dies entspricht einer Reflexion bei 520 nm, welche von Punkt 66 in 2 dargestellt wird.
Die Struktur des Kreisdiagramms für die Erfindung, welches in 6 dargestellt ist, unterscheidet sich deutlich von dem Kreisdiagramm für die Standard-Breitband-AR-Beschichtung, welches in 5 dargestellt ist. Am deutlichsten ist, dass es in 6 keinen Kreis gibt, der sich zur linken Seite der anderen Bögen erstreckt, so dass es keine offensichtliche Verbreiterungsschicht gibt. Außerdem liegt die Amplitudenreflexion 98 nach den ersten zwei Schichten nicht nahe der negativen Realachse, so dass die ersten zwei Schichten nicht ein Substrat mit einem höheren Index als das tatsächliche Substrat simulieren. Die Erfindung kann daher nicht durch die Aussage beschrieben werden, dass die ersten zwei Schichten den effektiven Index des Substrates erhöhen und die dritte Schicht den Bereich niedriger Reflexion verbreitert. Offensichtlich wirken in der Erfindung die ersten drei Schichten zusammen, um die indexanpassende Funktion und die Verbreiterungsfunktion der AR-Beschichtung auszuführen.
Im Hinblick auf den deutlichen Vorteil, den die Erfindung hinsichtlich der Verringerung der Kosten einer Breitband-AR-Beschichtung bietet, die durch Durchlauf-Kathodenzerstäubung erzeugt wird, was unten demonstriert wird, könnte man sich fragen, warum von dem Design der Erfindung zuvor noch nicht Notiz genommen worden ist. Ein Grund ist der Erfolg des Rock-AR-Beschichtungs-Designs und die Art der Erklärung, wie es wirkt, in Form des Kreisdiagramms. Die Konzentration folgender Verbesserungen des Rock-AR-Beschichtungs-Designs richtete sich auf die Grundelemente des Designs – namentlich die indexanpassenden Schichten, die Ver breiterungsschicht und die Antireflexschicht. Die indexanpassende Schicht könnte daher als einzelne Schicht hergestellt werden, aber aus zusammengesetzten Materialien, oder die halbwellige Verbreiterungsschicht könnte in zwei oder drei Teile aufgebrochen werden, welche die Verbreiterungsfunktion in gewisser verbesserter Weise übernehmen. Seit dem Rock-Patent haben jedoch die grundlegenden Lehren der Theorie der AR-Beschichtungsdesigns das Erfordernis dieser halbwelligen Verbreiterungsschicht betont.
Sogar wenn die bevorzugten Materialien der Erfindung für die vier Schichten benutzt werden, ist es nicht einfach, die bevorzugten Schichtdicken der Erfindung herauszufinden. 7 und 8 sind unter der Annahme gezeichnet worden, dass ein vierschichtiges Design die bevorzugten Materialien der Erfindung mit einer ersten Schicht aus ITO, einer zweiten Schicht aus SiO₂, einer dritten Schicht aus TiO₂ und einer vierten Schicht aus SiO₂ verwendet. Diese Schaubilder zeigen die Anzahl Viertelwellen der optischen Dicke der dritten Schicht mit hohem Index entlang der horizontalen Achse und eine Verbesserungsfunktion entlang der vertikalen Achse. Die Verbesserungsfunktion ist der quadratische Mittelwert der Reflexion, berechnet in 15-nm-Intervallen über den Spektralbereich 430 nm bis 655 nm. Die Kurven werden in diesem Fall ermittelt durch Festlegen der Dicke der dritten Schicht mit hohem Index und dann Verändern der Dicken der anderen drei Schichten, um die Verbesserungsfunktion zu minimieren. Wie in 7 zu sehen ist, besitzt die Verbesserungsfunktion ein globales Minimum bei Punkt 136, wo die dritte Schicht eine optische Dicke von etwa zwei Viertelwellen aufweist. Dieser Punkt entspricht der Standard-Breitband-AR-Beschichtung, welche auf dem Rock-Design basiert. Wenn die Dicke der dritten Schicht von diesem Wert aus verändert wird, erhöht sich die Verbesserungsfunktion, fort von dem gewünschten Mini malwert. An dem Punkt 130 wird das Design mit der niedrigsten Verbesserungsfunktion ein dreischichtiges Design, und wenn die Dicke der dritten Schicht weiter verringert wird, setzt sich die Verbesserungsfunktion des optimalen dreischichtigen Designs entlang der Kurve 128, gestrichelt dargestellt, fort, wobei sie einen Maximalwert bei einer Dicke von einer Viertelwelle erreicht. Wenn man den Optimierungsprozess mit dem dreischichtigen Design für Dicken der Schicht mit hohem Index von weniger als einer Viertelwelle fortsetzen würde, fände man ein anderes Minimum 118 bei einer optischen Dicke von etwa 0,37 Viertelwellen. Dieses Minimum 118 entspricht einer dreischichtigen Breitband-AR-Beschichtung mit einer relativ dicken ersten Schicht.
Nur wenn die optische Dicke der dritten Schicht mit hohem Index auf den Bereich unterhalb einer Viertelwelle begrenzt wird und eine vierschichtige Beschichtung mit einem Design nahe dem in Tabelle 1 angegebenen als Startpunkt verwendet wird, dann wird das vorliegende Design gefunden. Die Funktion der optimalen Verbesserung gegen die optische Dicke der dritten Schicht ist in 8 über den Bereich von Null bis zu einer Viertelwelle dargestellt. Der Minimalwert an Punkt 120 entspricht dem Design der Erfindung. Dieser Punkt entspricht einem lokalen Minimum der Verbesserungsfunktion, weil sein Wert höher ist als der Wert am globalen Minimum, welches in 7 dargestellt ist.
Das obige Beispiel veranschaulicht, dass es dann, wenn man eine vierschichtige AR-Beschichtung optimiert, möglich ist, dass eine der Schichten in der optimalen Beschichtung eine Dicke von Null aufweist, und dass daher die optimale Beschichtung weniger als vier Schichten aufweist. Wenn man jedoch eine dreischichtige Beschichtung optimiert, ist es nicht offen sichtlich, dass man nach einer vierschichtigen Beschichtung suchen sollte, oder dass es eine optimale vierschichtige Beschichtung überhaupt gibt.
Man beachte, dass dann, wenn ein Computerprogramm verwendet würde, um ein stochastisches Suchverfahren nach vierschichtigen Designs durchzuführen, wobei die Schichten die oben angegebenen Indizes aufweisen und wobei nach dem Design mit der minimalen Verbesserungsfunktion gesucht wird, das Standard-Design gefunden würde, welches dem Punkt 136 entspricht. Dieses Design stellt das globale Minimum dar. Das Design der Erfindung, welches dem Punkt 120 der 6 entspricht, würde nicht gefunden, weil dieses ein lokales Minimum mit einer höheren Verbesserungsfunktion darstellt als das bei 136.
Viele alternative Materialien können mit der Erfindung verwendet werden. Wie kürzlich bereits erwähnt, sind TiO₂ und Nb₂O₅ die Materialien der Wahl für die dritte Schicht mit hohem Index, die in einem Durchlauf-Zerstäubungssystem hergestellt wird. Andere Materialien mit hohen Brechungsindizes sind CeO₂ und Bi₂O₃, welche für diese Schicht verwendet werden könnten.
Es gibt eine Vielfalt von Materialien mit mittlerem Index, die für die erste Schicht verwendet werden könnten, z.B. HfO₂, ZrO₂, Sc₂O₃, Si₃N₄ und AlN, mit Indizes im Bereich von 1,9 bis 2,1, zusätzlich zu den bereits erwähnten SnO₂, ZnO, ITO und AZO. Außerdem könnte das Material für die Schicht mit mittlerem Index auch jedes der hier erwähnten Materialien mit hohem Index sein.
Unter Verwendung irgendeiner der oben erwähnten Materialkombinationen könnte man verschiedene Optimierungskriterien anwenden, um bei Designs anzukommen, welche die Bedingungen der Erfindung erfüllen. Zum Beispiel könnte man einen breiteren oder engeren Spektralbereich verwenden, über welchen die Reflexion zu optimieren ist. Man könnte eine andere Verbesserungsfunktion verwenden als den quadratischen Mittelwert der Reflexion. Man könnte es benötigen, dass die Farbe des Lichts, welches von der Beschichtung reflektiert wird, einen bestimmten Wert aufweist, zum Beispiel gemäß dem CIE-Farbsystem.
Ein alternatives Design folgt dem Erfordernis, dass die Reflexion der AR-Beschichtung ein Minimum aufweist, wie es vom Auge aufgenommen wird. Die Reflexion, welche vom Auge aufgenommen wird, wird als visuelle Reflexion bezeichnet. Um dieses Minimum zu erreichen, würde man die Reflexion bei jeder Wellenlänge des sichtbaren Spektrums gemäß dem Grad der Reaktion des Auges auf diese Wellenlänge gewichten und dann den gewichteten Mittelwert minimieren. Wenn man die augengewichtende Funktion auf die Reflexion der Ausführungsform der Erfindung, die in Tabelle 1 angegeben ist, anwendet, dann beträgt die visuelle Reflexion 0,18 %. Wenn man jedoch eine minimale augengewichtete mittlere Reflexion benötigt, dann ist das optimale Design in Tabelle 2 angegeben. Die visuelle Reflexion dieser Beschichtung beträgt 0,09 %. Das Design in Tabelle 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und ist typisch für die verschiedenen Designs, die unter den Schutzbereich der Erfindung fallen.
Tabelle 2
Um die Vorteile der Erfindung hinsichtlich der Kostenerparnis und der erhöhten Durchsatzleistung eines Durchlauf-Zerstäubungssystems zu demonstrieren, wird ein Beispiel verwendet, welches sich auf Produktionsdesigns bezieht. In dieser Ausführungsform soll die erste Schicht der Beschichtung mit mittlerem Index ITO sein. Weil ITO elektrisch leitfähig ist, ebenso wie transparent mit einem Brechungsindex von 2,0, ist die resultierende Beschichtung leitfähig. Solch eine Beschichtung könnte für die Oberfläche eines CRT-Bildschirms verwendet werden, um das Entstehen einer statischen Aufladung zu vermeiden, während die Reflexion der Oberfläche verringert wird. Das Material mit niedrigem Index soll SiO₂ sein, und die Schicht mit hohem Index ist aus TiO₂ hergestellt. Für diese Ausführungsform wird die visuelle Reflexion minimiert, wie sie durch das Auge ermittelt wird, während eine reflektierte Farbe von x = 0,24 und y = 0,24 im CIE-Farbsystem beibehalten wird, unter Verwendung eines 2-Observer- und-Lichtquelle D-65. Die resultierenden Beschichtungsdesigns für die Erfindung und für die Standard-Breitband-AR-Beschichtung sind in Tabelle 3 aufgelistet.
Die erste Spalte in Tabelle 3 gibt die Schichtnummer an, beginnend mit der Schicht, die unmittelbar an dem Substrat anliegt, und die zweite Spalte gibt für jede Schicht das entsprechende Material an. Die dritte Spalte gibt den Brechungsindex bei 520 nm an, obwohl für die Optimierungsberechnung, die angewendet wurde, um die Schichtdicken zu ermitteln, die vollständigen Verteilungskurven verwendet wurden. Die vierte Spalte gibt die Schichtdicken für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an, und die fünfte Spalte gibt die Schichtdicken für eine Ausführungsform der Standard-Breitband-AR-Beschichtung an, die durch das Optimierungsverfahren ermittelt wurde, welches im vorhergehenden Absatz angeführt wird. Die letzte Spalte der Tabelle 3 gibt für jede Schicht die Auftragsgeschwindigkeit für das benutzte Material an. Die Einheit für die Auftragsgeschwindigkeit ist nm-m/min, was angibt, dass die Geschwindigkeit als die Dicke der Beschichtung in Nanometern definiert ist, welche auf einem Substrat aufgebracht würde, welches sich an der Zerstäubungskathode mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von einem Meter je Minute vorbeibewegt. Die in Tabelle 3 angegebenen Auftragsgeschwindigkeiten für die Materialien sind typisch für jene, die bei der Herstellung einer AR-Beschichtung auf einer CRT-Oberfläche erzielt werden könnten.
Tabelle 3
Die Tabellen 4 und 5 vergleichen die Durchsatzleistung von Beschichtern mit verschiedenen Kathodenkonfigurationen für die zwei AR-Designs, welche in Tabelle 3 angegeben sind. Die Durchsatzzahlen werden auf der Basis der angegebenen Durchlaufgeschwindigkeit berechnet, unter der Annahme keiner Lücken zwischen den Glasscheiben, einer 1,5 Meter breiten Glasscheibe und 7000 Betriebsstunden pro Jahr.
Das minimale Durchlaufsystem hätte vier Kathoden, eine aus jedem Material, wie in der schematischen Darstellung der Seitenansicht eines Beschichtungssystems veranschaulicht, die in 9 abgebildet ist. Die Glasscheiben 146 gelangen in den Eingangspuffer 150 und werden auf Walzen 148 von links nach rechts befördert. Die Beschickungsschleuse, welche den Übergang zwischen der Luft und der Vakuumkammer bildet, ist nicht dargestellt. Die Zerstäubungskathoden sind als Kreise dargestellt, was der Endansicht rotierender zylindrischer Kathoden entspricht. Planare Kathoden könnten für die Materialien mit mittlerem und hohem Index auch verwendet werden. Zerstäubungskathoden werden in den US-Patentschriften 4,356,073 und 4,422,916 beschrieben. Die erste Kathode 152 ist eine keramische ITO-Kathode. Diese wird gefolgt von einer Isolationszone 154, weil ITO in einer anderen Gasmischung als die anderen Materialien zerstäubt wird. Die zweite Kathode 156 in 9 ist Si für die zweite SiO₂-Schicht der AR-Beschichtung. In der Praxis enthält das Si etwa fünf bis fünfzehn Prozent Al, um die Kathode leitfähig zu machen. Die dritte Kathode in 9 ist Ti, mit 158 bezeichnet, und die Si-Kathode für die letzte Schicht ist mit 160 bezeichnet. Die Si- und Ti-Kathoden können in reinem Sauerstoff zerstäubt werden, um SiO₂- und TiO₂-Filme zu ergeben, die auf dem Substrat abgeschieden sind. Nach der letzten Si-Kathode 160 gelangt das Glas in den Ausgangspuffer 162. Die Austrittsschleuse, welche den Übergang zwischen dem Vakuum und der Luft bildet, ist nicht dargestellt.
Um aus den Auftragsgeschwindigkeiten, die in Tabelle 3 angegeben sind, die maximale Dicke der Schicht zu ermitteln, die von jeder Kathode aufgetragen wird, verwende man die Formel
Die maximale Durchlaufgeschwindigkeit für das Standard-Breitband-AR-Beschichtungsdesign beträgt 0,07 m/min, begrenzt durch die Auftragsgeschwindigkeit des TiO₂. Bei dieser Durchlaufgeschwindigkeit beträgt die für die TiO₂-Schicht berechnete maximale Dicke 100 nm, entsprechend der Dicke, die in Tabelle 3 angegeben ist. Die erste Zeile der Tabelle 4 zeigt den Prozentsatz der maximalen Energie für jede der Kathoden für ein System mit vier Kathoden, welches mit 0,07 m/min durchlaufen wird und 44.000 m²/Jahr der vierschichtigen Standard-Breitband-AR-Beschichtung produziert. Die Prozentsätze wurden errechnet durch Vergleichen der maximalen Dicke, welche durch jede Kathode aufgetragen werden kann, die mit 0,07 m/min durchlaufen wird, berechnet nach der obigen Formel, mit der Schichtdicke des Designs, welche in Tabelle 3 angegeben ist. Aus Tabelle 4 kann man ersehen, dass für die Durchlaufgeschwindigkeit von 0,07 m/min nur die Ti-Kathode mit 100 % betrieben wird.
Tabelle 4
Tabelle 5
Die maximale Durchlaufgeschwindigkeit beträgt für die Erfindung etwa 0,08 m/min, begrenzt durch die vierte SiO₂-Schicht. Die erste Zeile der Tabelle 5 zeigt den Prozentsatz der maximalen Energie für jede der Kathoden für ein System mit vier Kathoden, welches mit 0,08 m/min durchlaufen wird und 50.000 m²/Jahr der vierschichtigen Breitband-AR-Beschichtung produziert, welche auf der Erfindung basiert. Hinsichtlich der Durhsatzleistung besteht bei diesem Minimalaufbau ein leichter Vorteil der Erfindung gegenüber der Standard-Breitband-AR.
Für den Vier-Kathoden-Beschichter gibt es einen bedeutenden Vorteil der Erfindung für die Beschichtung von Kunststoffsubstraten, welche hitzeempfindlich sind. Kunststoffsubstrate werden durch die Wärme beschädigt, die von einer Ti-Kathode erzeugt wird, welche mit voller Energie arbeitet. Daher müsste, um die Standard-Breitband-AR-Beschichtung auf Kunststoff aufzubringen, die Ti-Kathode mit einem kleinen Bruchteil ihrer maximalen Energie betrieben werden, mit einer entsprechenden Verringerung der Durchlaufgeschwindigkeit und Durchsatzleistung. Alternativ müsste die Schicht mit hohem Index durch ein Material mit einer hohen Zerstäubungsgeschwindigkeit ersetzt werden, wie in US-Patentschrift 5,579,162 offenbart. Die Erfindung hat den Vorteil, dass weniger Material für die dritte Schicht mit hohem Index verwendet wird, und ermöglicht daher, dass die Kathode mit einer deutlich verringerten Energie betrieben wird.
Ein bedeutender Vorteil in der Durchsatzleistung wird mit dem Hinzufügen zweier weiterer Kathoden zu dem System offensichtlich. Im Fall der Standard-Breitband-AR-Beschichtung ist eine der zusätzlichen Kathoden Ti, um die Durchsatzleistung der TiO₂-Schicht zu vergrößern, und die andere ist eine Si-Kathode, um die Durchsatzleistung der letzten SiO₂-Schicht zu vergrößern. Die Anzahl der Kathoden und die prozentuale Nutzung ist in der zweiten Zeile der Tabelle 4 dargestellt. Der Effekt ist, dass die Durchlaufgeschwindigkeit auf 0,14 m/min und die Durchsatzleistung des Systems auf 88.000 m²/Jahr verdoppelt wird. Die TiO₂-Schicht ist immer noch der begrenzende Faktor. Im Fall der Erfindung können die zwei zusätzlichen Kathoden verwendet werden, um die Durchsatzleistung der letzten SiO₂-Schicht zu verbessern. In diesem Fall kann die Durchlaufgeschwindigkeit auf 0,24 m/min erhöht werden, und die gesamte Durchsatzleistung des Systems kann auf 151.000 m²/Jahr verdreifacht werden, wie in der zweiten Zeile der Tabelle 5 veranschaulicht. Weil die TiO₂-Schicht im vorliegenden Design viel dünner ist als in der Standard-Breitband-AR-Beschichtung, wird die einzelne Ti-Kathode bei dieser Durchlaufgeschwindigkeit für die AR-Beschichtung, welche gemäß der Erfindung hergestellt wird, immer noch nicht mit 100 % betrieben.
Als weiteres Beispiel für den Vorteil der Erfindung stelle man sich vor, dass eine Gesamtproduktion von mehr als 250.000 m²/Jahr benötigt wird. Diese Durchsatzleistung kann mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von 0,41 m/min erreicht werden. Die dritten Zeilen der Tabellen 4 und 5 vergleichen für jedes Design die Anzahl der Kathoden, die benötigt würden, um diese Durchsatzleistung zu erreichen. Im Einzelnen würden sechs Ti-Kathoden benötigt, die mit 97 betrieben werden, um die dicke TiO₂-Schicht der Standard-Breitband-AR herzustellen, während für die Erfindung eine Ti-Kathode ausreichend ist. Wenn alle Schichten betrachtet werden, erfordert die Standard-Breitband-AR-Beschichtung dreizehn Kathoden, um 258.000 m²/Jahr herzustellen, verglichen mit neun Kathoden, die benötigt werden, um dasselbe Volumen bei Verwendung der Erfindung herzustellen. Diese Verringerung der Anzahl der Kathoden stellt eine Einsparung von einigen Millionen Dollar in den Anschaffungskosten des Beschichters dar, und daher einige Dollar je Quadratmeter in den Abschreibungskosten.
Die Erfindung stellt gegenüber anderen Designs, die auf dem Rock-AR-Beschichtungsdesign basieren, eine Verbesserung in Form einer Kostenreduzierung dar. US-Patentschrift 5,450,238 schlägt zum Beispiel vor, in dem Design TiO₂ durch Nb₂O₅ zu ersetzen. Das Nb₂O₅ weist etwa die doppelte Auftragsgeschwindigkeit auf wie TiO₂. Sechs Ti-Kathoden würden also auf drei Nb-Kathoden reduziert. Die Standard-Breitband-AR-Beschichtung mit Nb würde wegen der Dicke der halbwelligen dritten Schicht mit hohem Index im Standard-Rock-Design immer noch mehr Kathoden erfordern, als der Beschichter für die Erfindung aufweist. Weil die Kosten für Nb viel höher sind als die Kosten für Ti, wären die Kosten je Quadratmeter deutlich höher.
Als anderes Beispiel schlägt US-Patentschrift 5,270,858 vor, die Hälfte der TiO₂-Schicht mit ZnO zu ersetzen, wegen der viel höheren Auftragungsgeschwindigkeit des letzteren Materials. In einem Beschichter mit einer Durchsatzleistung von 258.000 m²/Jahr verbleiben immer noch drei Ti-Kathoden und eine Zn-Kathode oder eine Gesamtzahl von elf Kathoden, verglichen mit den neun Kathoden für den Beschichter, der auf der Erfindung basiert.
Die Durchsatzleistung der obigen Beschichter könnte weiter vergrößert werden durch Verwendung doppelzylindrischer Magnetronen (solche wie die doppelten C-MAG^®-Kathoden, erhältlich von BOC Coating Technology mit Sitz in Fairfield, Kalifornien) oder doppelter planarer Magnetronen, welche ermöglichen, dass man in jeder Kathodenposition zwei Zerstäubertargets anordnet; von Wechselstromquellen, welche ermöglichen, dass die Si-Kathoden mit einer höheren Energie betrieben werden; und Verfahren verbesserter Geschwindigkeit, welche die Auftragsgeschwindigkeit um einen Faktor von zwei bis fünf oder mehr erhöhen können. In jedem Fall weist die AR-Beschichtung, die auf der Erfindung basiert, den Vorteil einer dünneren TiO₂-Schicht auf und daher eine erhöhte Durchsatzleistung oder verringerte Beschichterkosten.
Eine Testbeschichtung wurde unter Verwendung des Stapeldesigns der Tabelle 3 hergestellt. Die Materialien für die Beschichtung waren ITO, SiO₂, TiO₂ und SiO₂. Die Beschichtung wurde in einem Gleichstrom-Durchlauf-Kathodenzerstäubungssystem hergestellt, welches C-MAG^®-3000-Kathoden aus ITO, Si und Ti enthielt. Das ITO-Target war ein keramisches Target aus 90 In₂O₃ und 10 % SnO₂. Das Ti-Target war aus 100 % Ti-Metall. Das Si-Target war aus 93 % Si und 7 % Al. Das ITO wurde in einem Gemisch aus Ar und 0₂ zerstäubt. Die Si- und Ti-Targets wurden in reinem O₂ zerstäubt, um SiO₂ und TiO₂-Filme zu erzeugen. Die Einzelheiten des Beschichtungsverfahrens sind in Tabelle 6 angegeben.
Tabelle 6
Die gemessene Reflexionskurve 170 der beschichteten Probe wird in 10 mit der berechneten Reflexionskurve 172 verglichen. Die Übereinstimmung von Theorie und Praxis ist gut.
Für eine zweite Testbeschichtung der Erfindung wurde das Design verwendet, das in Tabelle 7 angegeben ist. Für diese Ausführungsform der Erfindung wurde SnO₂ als Material mit mittlerem Index verwendet. Für das Material mit hohem Index wurde Nb₂O₅ verwendet. In dieser Ausführungsform sind sowohl für das Material mit mittlerem Index als auch für das mit hohem Index Hochgeschwindigkeismaterialien verwendet worden, so dass mit diesem Design weitere Verbesserungen der Durchsatzleistung gegenüber jenen oben Erörterten möglich sind. Das Material mit niedrigem Index war SiO₂ mit einem geringen Prozentsatz Al₂O₃. Die Schicht mit niedrigem Index wurde durch Zerstäuben aus einem Target gebildet, welches Si mit 7 % Al umfasste. In der dritten Spalte der Tabelle 7 ist der Brechungsindex jedes Materials bei 510 nm aufgelistet, obwohl im Optimierungsverfahren die vollständigen Verteilungskurven verwendet wurden. Die Schichtdicken wurden erhalten durch Optimieren für die minimale visuelle Reflexion, während die CIE-Farbkoordinaten x = 0,244 und y = 0,240 beibehalten wurden. Die errechnete visuelle Reflexion des Designs beträgt 0,25 %.
Tabelle 7
Unter Verwendung des Designs, das in Tabelle 7 aufgelistet ist, wurde eine AR-Beschichtung hergestellt. Tabelle 8 liefert das Rezept.
Tabelle 8
Die AR-Beschichtung wurde in einem Gleichstrom-Durchlauf-Kathodenzerstäubungssystem hergestellt, welches C-MAG^®-3000-Kathoden aus Sn, Si und Nb enthielt, die in 0₂ zerstäubt wurden. Das Sn-Target war ein gegossenes Metalltarget. Das Nb-Target war ein extrudiertes Metalltarget. Die gemessene Reflexionskurve 180 der beschichteten Probe wird in 11 mit der berechneten Reflexionskurve 182 verglichen. Die Beschichtung weist eine gemessene visuelle Reflexion von 0,26 % mit x = 0, 246 und y = 0, 225 auf. Die Übereinstimmung von Theorie und Praxis ist gut. Die Breite der Beschichtung, welche gemäß dem Verhältnis der Wellenlängen berechnet wurde, bei denen die Reflexion 0,6 % beträgt, beträgt etwa 1,49, so dass die Beschichtung das Kriterium für eine Breitband-AR-Beschichtung erfüllt.
Alternativ kann der Stapel der Erfindung ein absorbierendes Material enthalten. Zum Beispiel kann einiges der dritten Schicht mit hohem Index durch Materialien mit einem gemäßigten Absorptionsgrad ersetzt werden. Ein Beispiel eines Materials mit solch einem gemäßigten Absorptionsgrad ist Nickeloxid (NiO_x). Die Verwendung von Nickeloxid als absorbierende Schicht ist bei H. Schroeder, „Special Oxide Layers", Physics of Thin Films 5, 105 (1969), beschrieben. Andere absorbierende Materialien, die für diese Anwendung geeignet sind, sind z.B. NiVO_x, NiCrO_x, Ni:Si₃N₄. NiVO_x ist die bevorzugte Wahl, weil das Hinzufügen des Vanadiums zu dem Nickel ein nicht-magnetisches Target schafft und NiVO_x eine neutralere Absorption über das sichtbare Spektrum aufweist. Wenn eine 20%-Absorptionsbeschichtung gewünscht ist, umfasst ein Stapeldesign eine erste Schicht aus Indiumzinnoxid, die 29,5 nm dick ist, eine zweite Schicht aus Siliciumdioxid, die 48,5 nm dick ist, eine absorbierende Schicht aus Nickelvanadiumoxid, die 14,5 nm dick ist, eine Titandioxidschicht mit hohem Index, die 11,5 nm dick ist, und eine obere Siliciumdioxidschicht mit niedrigem Index, die 103,5 nm dick ist. Man beachte, dass die Dicke der Titandioxidschicht geringer ist als sogar in der Ausführungsform der Erfindung, die in Tabelle 3 dargestellt ist. Dies schafft für diese absorbierende Beschichtung einen Produktionskostenvorteil.
Obwohl die obige Erörterung sich insbesondere auf AR-Beschichtungen für das sichtbare Lichtspektrum bezieht, wird der Fachmann erkennen, dass es Vorteile für das Design von Breitbandbeschichtungen für andere Wellenlängenbereiche nahe dem sichtbaren Spektrum gibt. In diesen Spektralbereichen sind dieselben oder ähnliche optische Materialien verfügbar, und die Brechungsindizes sind ähnlich. Zum Beispiel arbeiten energiereiche Laser bei einer Wellenlänge von 1064 nm im nahen Infrarot-Spektralbereich. Obwohl der Laser bei einer einzelnen wohldefinierten Wellenlänge arbeitet, wird ein V-Form-AR-Beschichtungsdesign bei der Herstellung normalerweise nicht verwendet. Stattdessen wird ein Design verwendet, welches auf dem Standard-Breitband-AR-Beschichtungsdesign basiert. Siehe Carniglia, „Oxide Coatings for One Micrometer Laser Fusion Systems", Thin Solid Films 77, 225-238 (1981). Der breite Bereich niedriger Reflexion ist erforderlich, um zulässige Produktionsabweichungen bereitzustellen, so dass die niedrige Reflexion über einen großen beschichteten Abschnitt erreicht werden kann. Die hohe Energie des Laserimpulses kann eine Beschädigung an der AR-Beschichtung verursachen, und die Beschädigung ist üblicherweise dem Material mit hohem Index zugeordnet. Die Erfindung kann verwendet werden, um eine Breitband-AR-Beschichtung zu konstruieren, die geeignet ist für die Verwendung mit energiereichen Lasern, welche eine stark verringerte Dicke des Materials mit hohem Index und möglicherweise eine erhöhte Auslöseschwelle für Laser-Beschädigungen aufweist.

Claims

Eine Antireflexbeschichtung (20) für ein transparentes oder semitransparentes Substrat, die Folgendes umfasst: eine erste Schicht (26), die unmittelbar an dem Substrat (22) anliegt und deren Brechungsindex bei einer zentralen Wellenlänge XQ größer als 1,9 ist; eine zweite, aus Siliciumdioxid bestehende Schicht (28); eine dritte Schicht (30), deren Brechungsindex bei besagter zentralen Wellenlänge A^ im Bereich von 2,1 bis 2,7 liegt; eine vierte, aus Siliciumdioxid bestehende Schicht (32); und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die zweite Schicht (28) und die vierte Schicht (32) mit weniger als 20% eines anderen Materials dotiert sind; die dritte Schicht eine optische Dicke von weniger als A^/4 besitzt, wobei XQ die zentrale Wellenlänge des für besagte Antireflexbeschichtung optimierten Spektralbereiches ist und mit folgender Formel berechnet wird:
und wobei X-j und A^ die Grenzen des besagten Spektralbereiches sind und sich im Bereich von 400 bis 700 nm befinden.
Eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1, deren Beschichtung durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird,
Eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1, deren dritte Schicht (30) einen Brechungsindex größer als 2,2 besitzt.
Eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1, deren erste Schicht (26) aus einem elektrisch leitenden transparenten Material besteht
Eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1, deren Substrat (22) aus dem Glas eines CRT-Bildschirmes besteht,
Eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1, deren erste Schicht (26) und deren zweite Schicht (30) Unterschiedesijche Zusammensetzungen aufweisen.
Eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1, deren dritte Schicht (30) eine optische Dicke von weniger als besitzt.
Eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 7*, deren dritte Schicht (30) eine optische Dicke von weniger als besitzt.
Eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1, deren Beschichtung zusätzlich eine absorbierende Schicht enthält,
Eine Antireflexbeschichtung nach Anspruch 1, deren absorbierende Schicht unmittelbar an der dritten Schicht (30) anliegt.