Claims (1)
**WARNUNG** Anfang CLMS Feld konnte Ende DESC uberlappen **.
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Die vorliegende Erfindung betrifft infrarotdurchlässige Dünnschichtsysteme auf Substraten. Solche Dünnschichtsysteme können verschiedenen Zwecken dienen, z. B. können sie als reflexionsvermindernde oder reflexionserhöhende Beläge ausgebildet sein oder als Band- oder Kantenfilter, welche Strahlung in einem vorgewählten Bereich des Spektrums möglichst ungehindert hindurchlassen, in anderen Bereichen dagegen reflektieren.
The present invention relates to infrared transparent thin-film systems on substrates. Such thin film systems can serve various purposes, e.g. B. they can be designed as reflection-reducing or reflection-increasing coatings or as band or edge filters, which allow radiation in a preselected area of the spectrum to pass through as unhindered as possible, but reflect in other areas.
Wie die Erfahrung zeigt, ergibt sich bei Schichtsystemen im Bereich zwischen 2,5 bis 4 um eine besondere Schwierigkeit. Bisher wurden noch keine Schichtsysteme gefunden, die in diesem Bereich nicht eine mehr oder weniger ausgeprägte Absorption aufweisen, was bei vielen Anwendungen sehr stört. Allgemein wird angenommen, dass diese störende Absorption im genannten Wellenlängenbereich auf adsorbiertes Wasser zurückzuführen ist; die genaue Lage der Absorptionsbande kann dabei je nach der Art des Substrates und der aufgebrachten Schichten etwas variieren.
As experience shows, there is a particular difficulty with layer systems in the range between 2.5 and 4 µm. So far, no layer systems have been found that do not have a more or less pronounced absorption in this area, which is very disruptive in many applications. It is generally assumed that this disruptive absorption in the wavelength range mentioned is due to adsorbed water; the exact position of the absorption band can vary somewhat depending on the type of substrate and the layers applied.
Experimente haben gezeigt dass man zwar durch Erhitzen eines Substrates und der aufgebrachten Schichten die unerwünschte Absorption vorübergehend beseitigen kann, dass sie aber nach kurzer Verweilzeit des Schichtsystems in normal feuchter Luft wieder auftritt. Bei Gebrauch des Schichtsystems an gewöhnlicher Luft schien also die störende Absorptionsbande nicht vermeidbar zu sein. Es wurde zwar der Versuch gemacht2, ein Schichtsystem aus möglichst wenig hygroskopischen Substanzen aufzubauen, und zwar wurde für ein Vierschichtsystem die Schichtenfolge Silizium, Thalliumbromid, Bleifluorid und Strontiumfluorid vorgeschlagen. Die oberste Schicht aus Strontiumfluorid sollte dabei das darunter befindliche, ein wenig hygroskopische Bleifluorid schützen. Mit diesem bekannten System konnte jedoch die HzO-Absorptionsbande nicht beseitigt werden.
Experiments have shown that although the undesired absorption can be temporarily eliminated by heating a substrate and the applied layers, it occurs again after the layer system has remained in normal humid air for a short time. When using the layer system in normal air, the disruptive absorption band did not seem to be avoidable. An attempt was made to build up a layer system from as few hygroscopic substances as possible, namely the layer sequence silicon, thallium bromide, lead fluoride and strontium fluoride was proposed for a four-layer system. The top layer of strontium fluoride should protect the slightly hygroscopic lead fluoride underneath. With this known system, however, the HzO absorption band could not be eliminated.
Die veröffentlichte Transmissionskurve dieses Systems zeigt in der näheren Umgebung von 3 um etwa 95% Transmission, fällt jedoch bei 3 um auf 70% ab.
The published transmission curve of this system shows around 95% transmission in the vicinity of 3, but drops at 3 µm to 70%.
Ähnliche Effekte wurden beobachtet' bei Antireflexbelägen aus Ceroxyd und Magnesiumfluorid auf Siliziumunterlagen und solchen aus Zinksulfid und Siliziummonoxyd bzw. Silizium, Ceroxyd und Magnesiumfluorid auf Germaniumunterlagen. Auf Kaliumbromidsubstraten ergab sich mit Quarzfilmen ebenfalls eine Absorptionsbande bei 3 um, die adsorbiertem Wasser zugeschrieben wurde3, desgleichen mit Schichten aus Oxiden der Seltenen Erden4.
Similar effects were observed with anti-reflective coatings made of cerium oxide and magnesium fluoride on silicon substrates and those made of zinc sulfide and silicon monoxide or silicon, cerium oxide and magnesium fluoride on germanium substrates. On potassium bromide substrates, quartz films also showed an absorption band at 3 µm, which was ascribed to adsorbed water3, as did layers of rare earth oxides4.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, anzugeben, wie aus einer Folge von auf einer Unterlage mittels Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung aufgebrachten infrarotdurchlässigen dünnen Schichten Schichtsysteme erhalten werden können, welche die störende H20-Absorptionsbande nicht aufweisen. Es wurde gefunden, dass dieses Ziel erreicht wird, wenn das Schichtsystem ausschliesslich aus Stoffen, die aus der Gruppe Germanium, Silizium, Kadmiumtellurid, Zinkselenid, Zinksulfid und Aluminiumoxid ausgewählt sind, aufgebaut wird.
The present invention is based on the object of specifying how, from a sequence of infrared-permeable thin layers applied to a substrate by vapor deposition or cathode sputtering, layer systems can be obtained which do not have the disruptive H 2 O absorption band. It has been found that this goal is achieved if the layer system is built up exclusively from substances selected from the group consisting of germanium, silicon, cadmium telluride, zinc selenide, zinc sulfide and aluminum oxide.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Ausführungs beispielen näher erläutert werden. Es wurden auf Germanium-, Silizium- und Quarzsubstrate reflexionsvermindernde bzw. reflexionserhöhende Beläge aufgebracht, die aus mehreren Schichten bestanden. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse für die reflexionsvermindernden Beläge für vier Beispiele A bis D. Die Tabelle 2 zeigt drei Beispiele E, F, G für reflexionserhöhende Beläge. Dabei wurden alle Beispiele so gewählt, dass es auf die Transmission im Bereich zwischen 2,5 bis 4 um ankam, um die Brauchbarkeit der Erfindung festzustellen. In den Tabellen gibt die erste Zeile das verwendete Substrat an, wofür wegen der erwünschten Infrarotdurchlässigkeit Germanium, Silizium und Quarzplättchen verwendet wurden.
The invention will be explained in more detail with reference to execution examples. Reflection-reducing or reflection-increasing coatings, which consisted of several layers, were applied to germanium, silicon and quartz substrates. Table 1 below shows the results for the reflection-reducing coverings for four examples A to D. Table 2 shows three examples E, F, G for reflection-increasing coverings. All examples were chosen so that the transmission in the range between 2.5 to 4 μm was important in order to determine the usefulness of the invention. In the tables, the first line indicates the substrate used, for which germanium, silicon and quartz flakes were used because of the desired infrared transmission.
Die folgenden Zeilen geben dann die Reihenfolge der Schichtsubstanzen des Systems an (wobei die erste Schicht an das Substrat, die letzte an Luft angrenzt) und daneben die jeweilige Schichtdicke in nm. Eine weitere Zeile schliesslich gibt an, bei welcher Wellenlänge (in um) in dem jeweils genannten Beispielsfall ein Reflexionsminimum bzw. Reflexionsmaximum erzielt wurde.
The following lines then indicate the sequence of the layer substances of the system (the first layer being adjacent to the substrate, the last being adjacent to air) and next to it the respective layer thickness in nm. Finally, another line indicates at which wavelength (in .mu.m) in a reflection minimum or reflection maximum was achieved in the example case mentioned in each case.
JR-Reflexverminderung Opt. Dicke Substrat A (nm) Ge Ge Si Si A 1 CdTe/750 ZnSe/450 ZnSe/570 ZnS1480 A 2 Al203/750 Al203/450 Al203/570 Al203/480 Rmjn-Bereich 2,5-4,0 (um) 2,5-3,2 3,0-3,6 2,7-3,3 Beispiel A B C D
JR-Reflexerhöhung
Opt Dicke Substrat (nm) SiO2 SiO2 SiO2
A 1 Ge/750 Ge/750 Si1750 A 2 Al203/750 Al203/750 Al203/750 A 3 Ge/750 Ge/750 Si/750 A4 Al203/750 A 5 Ges750 RmaX 95% 99% 880in Rrn,x-Bereich 2,6-3,6 2,6-3,6 2,7-3,4
Beispiel E F G
Die einzelnen Schichten werden auf
JR reflection reduction Opt.thickness substrate A (nm) Ge Ge Si Si A 1 CdTe / 750 ZnSe / 450 ZnSe / 570 ZnS1480 A 2 Al203 / 750 Al203 / 450 Al203 / 570 Al203 / 480 Rmjn range 2.5-4, 0 (µm) 2.5-3.2 3.0-3.6 2.7-3.3 Example ABCD
JR reflex increase
Opt thickness substrate (nm) SiO2 SiO2 SiO2
A 1 Ge / 750 Ge / 750 Si1750 A 2 Al203 / 750 Al203 / 750 Al203 / 750 A 3 Ge / 750 Ge / 750 Si / 750 A4 Al203 / 750 A 5 Ges750 RmaX 95% 99% 880 in Rrn, x-area 2 , 6-3.6 2.6-3.6 2.7-3.4
Example E F G
The individual layers are on
die vorher gereinigten Unterlagen in an sich bekannter Weise durch Aufdampfen der genannten Substanzen oder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht. Dabei können die Schichtdicken mit kommerziellen Schwingquarz-Schichtdickenmessgeräten gemessen werden.
the previously cleaned documents are applied in a manner known per se by vapor deposition of the substances mentioned or by cathode sputtering. The layer thicknesses can be measured with commercial oscillating quartz layer thickness gauges.
Mit den angeführten Schichtsubstanzen können ausser den beschriebenen natürlich auch andere Schichtsysteme auf gebaut werden, die keine Wasser-Absorptionsbande aufwei sen sollen. Besonders wichtig wird, wie erwähnt, die Erfin dung für Vielschichtanordnungen, wobei oft 20 oder mehr
Schichten ein System bilden. Selbst eine nur geringe Absorp tion einer der Schichtsubstanzen infolge Wasseradsorption kann im Gesamtsystem zu untragbar hohen Verlusten füh ren, z. B. ergeben sechs hintereinanderliegende Schichten mit je 10% Absorption bereits einen Absorptionsverlust von fast 50%. Mit 2 /o Absorption je Einzelschicht erhält man im merhin bei sechs hintereinanderliegenden Schichten eine Ab sorption von fast 12%. Bei noch geringerer Absorption der einzelnen Schicht ist die Absorption des Gesamtsystems praktisch gleich der Summe der Absorptionen der Einzel schichten.
With the layer substances mentioned, other layer systems can of course also be built on, in addition to those described, which should not have any water absorption bands. As mentioned, the invention is particularly important for multilayer arrangements, often 20 or more
Layers form a system. Even a low absorption of one of the layer substances due to water adsorption can lead to unacceptably high losses in the overall system, e.g. B. six successive layers with 10% absorption each result in an absorption loss of almost 50%. With 2 / o absorption per individual layer, an absorption of almost 12% is obtained with six consecutive layers. If the absorption of the individual layers is even lower, the absorption of the overall system is practically equal to the sum of the absorptions of the individual layers.
Es wurden noch zahlreiche andere Schichtsubstanzen un tersucht, aber ausser den fünf genannten keine gefunden, wel che die üblichen Anforderungen an Haftfestigkeit und Härte erfüllen und gleichzeitig im interessierenden Wellenlängenbe reich von 2,5-4 um keine Absorption im Schichtsystem erge ben.
Numerous other layer substances were investigated, but none other than the five mentioned were found which meet the usual requirements for adhesive strength and hardness and at the same time result in no absorption in the layer system in the wavelength range of interest of 2.5-4 μm.
Literaturstellen
1. JOSA, Vol. 51, No. 7, Juli 1961, S. 718
2. Applied Optics, Vol. 13, No. 6, Juni 1974, S. 1275
3. Applied Optics, Vol. 10, No. 12, Dez. 1971, S. 2686
4. Vakuum-Technik, 22. Jahrgang, Heft 2, S. 53
References
1. JOSA, vol. 51, no. 7, July 1961, p. 718
2. Applied Optics, Vol. 13, No. 6, June 1974, p. 1275
3. Applied Optics, Vol. 10, No. 12, Dec 1971, p. 2686
4.Vacuum technology, 22nd year, issue 2, p. 53
PATENTANSPRUCH
Infrarotdurchlässiges Dünnschichtsystem, bestehend aus auf einer Unterlage aufgebrachten Folge von mittels Auf dampfen oder Kathodenzerstäubung aufgebrachten infrarot durchlässigen dünnen Schichten, dadurch gekennzeichnet,
PATENT CLAIM
Infrared-permeable thin-layer system, consisting of a sequence of infrared-permeable thin layers applied to a base by means of vapor deposition or cathode sputtering, characterized in that
dass das Schichtsystem ausschliesslich aus Stoffen, die aus der Gruppe Germanium, Silizium, Kadmiumtellurid, Zinkselenid, Zinksulfid und Aluminiumoxyd ausgewählt sind, aufgebaut ist.
that the layer system is made up exclusively of substances selected from the group of germanium, silicon, cadmium telluride, zinc selenide, zinc sulfide and aluminum oxide.
UNTERANSPRÜCHE
1. lnfrarotdurchlässiges Dünnschichtsystem nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem als zweischichtiger reflexionsvermindernder Belag ausgebildet ist.
SUBCLAIMS
1. Infrared-permeable thin-layer system according to patent claim, characterized in that the layer system is designed as a two-layer, reflection-reducing covering.
2. Infrarotdurchlässiges Dünnschichtsystem nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erste an das Substrat angrenzende Schicht des reflexionsvermindernden Belages eine Kadmiumtelluridschicht vorgesehen ist.
2. Infrared-permeable thin-film system according to dependent claim 1, characterized in that a cadmium telluride layer is provided as the first layer of the reflection-reducing coating which is adjacent to the substrate.
3. Infrarotdurchlässiges Dünnschichtsystem nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erste an das Substrat angrenzende Schicht des Belages eine Zinkselenidschicht vorgesehen ist.
3. Infrared-permeable thin-film system according to dependent claim 1, characterized in that a zinc selenide layer is provided as the first layer of the covering adjoining the substrate.
4. lnfrarotdurchlässiges Dünnschichtsystem nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erste an das Substrat angrenzende Schicht des Belages eine Zinksulfidschicht vorgesehen ist.
4. Infrared-permeable thin-layer system according to dependent claim 1, characterized in that a zinc sulfide layer is provided as the first layer of the covering adjoining the substrate.
5. Infrarotdurchlässiges Dünnschichtsystem nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite, an Luft angrenzende Schicht des Belages eine Alumminiumoxydschicht vorgesehen ist.
5. Infrared-permeable thin-layer system according to dependent claim 1, characterized in that an aluminum oxide layer is provided as the second layer of the covering adjacent to air.