CH680214A5

CH680214A5 -

Info

Publication number: CH680214A5
Application number: CH3994/89A
Authority: CH
Inventors: Gerold Dr Paesold
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1989-11-06
Filing date: 1989-11-06
Publication date: 1992-07-15
Also published as: US5157547A; JPH03242319A

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer transparenten Beschichtung mit mittlerem Brechwert, bestehend im wesentlichen aus mindestens einer Metalloxidmischung, mit einem Verfahren zur Herstellung einer transparenten Beschichtung, mit einem optischen Substrat mit mindestens einer reflexreduzierenden transparenten Beschichtung sowie mit einem reflexreduzierenden Mehrschichtenbe-lag gemäss dem Oberbegriff nach Anspruch 5.

Dünne Oxidschichten werden in der Technik in grossem Umfang als Schutzschichten und als Schichten für optische Zwecke verwendet. Als Schutzschichten dienen sie dazu, empfindliche Oberflächen von Körpern, z.B. von Präzisionsteilen der Feinwerktechnik, von Linsen, Oberflächenspiegeln und dergleichen, gegen Korrosion und mechanische Beschädigung zu schützen. In der optischen Industrie werden Oxidschichten darüber hinaus als hoch- und niederbrechende Schichten für reflexionsvermindern-de Beläge, weiter für lnterferenzfiiter, Strahlenteiler, Wärmefilter, Kaltlichtspiegel, Beläge für Brillengläser und dergleichen gebraucht. Die mechanischen und optischen Eigenschaften solcher Oxidschichten hängen nicht nur von der Art des aufgebrachten Oxides, sondern in sehr starkem Masse von der Art des Aufbringverfahrens ab.

So werden z.B. optische Gläser, deren Brechwert im allgemeinen im Bereich zwischen 1.4 und 1.8 liegt, zur Verminderung von Reflexionsverlusten mit reflexvermindemden Belägen versehen.

Für die Vergütung von optischen Substraten, wie Linsen, Prismen, Filtern usw., werden die früher vorwiegend aufgebrachten Einfach- und Zweifachschichten durch die Einführung prozessgesteuerter Anlagen auch in der Massenproduktion in vermehrtem Masse von den qualitativ höherwertigen Mehrfachschichten abgelöst. Die in der Optik zu vergütenden Substrate sind im allgemeinen anorganische und organische Gläser, die einen grossen Brechwertbereich in der Grössenordnung von n = 1.4 bis 1.8 umfassen. Demgegenüber entfalten normalerweise Mehrfachschichtensysteme für die Verminderung von Reflexionsverlusten ihre optimale Wirkung nur in einem relativ schmalen Brechwertbereich. Aus diesem Grunde wurde der oben erwähnte Gesamtbereich in zwei Teile unterteilt, einen sog. niederbrechenden Bereich unterhalb n = 1.6 und einen höherbrechenden Bereich mit n > 1.6. Für beide Teilbereiche wurden entsprechend für die Reduktion des Reflexes verschiedene Schichtsysteme verwendet.

Die Unterteilung des Brechwertbereiches in zwei Teilbereiche ist jedoch sehr grob, und da die reflexvermindernde Wirkung sich in den beiden Bereichen nach wie vor nur in schmalen Teilbereichen optimal einstellte, mussten für Substrate mit Brechwerten in Bereichen, bei denen keine optimale Reflexverminderung möglich war, Kompromisse eingegangen werden.

Es hat sich auch gezeigt, dass bei Verwendung von zwei verschiedenen Schichtsystemen Umbauten bei den Bedampfungseinrichtungen notwendig sind und unterschiedliche Verfahrensschritte eingehalten werden müssen, was selbstverständlich in produktionstechnischer Hinsicht unerwünscht ist. Nicht selten sind Fehler und Qualitätsverminderung die Folge davon.

Als Folge dieser Unzulänglichkeiten besteht daher der Wunsch, optische Substrate mit reflexvermindernden Mehrfachschichten zu versehen, wobei zur Optimierung der reflexmindernden Wirkung diese Mehrfachschicht in einfacher Weise an den Brechwert des zu beschichtenden optischen Körpers anzupassen ist, so dass die oben erwähnten, technisch unausgereiften Lösungen nicht mehr zur Anwendung kommen müssen.

Reflexvermindernde Mehrfachschichtenbeläge sind seit langem bekannt. In der US-PS 3 185 020 wird ein Dreischichtenbelag vom Typ 7J4 - XI2 - X/4 beschrieben, wobei unter einer Ä/4-Schicht das Produkt aus Schichtdichte x Brechwert zu verstehen ist, mit der optischen Schichtdicke gleich einem Viertel der Bezugswellenlänge.

Bei den bekannten Mehrfachschichtbelägen stellt sich das Problem ein, dass in Abhängigkeit vom Brechwert des Substrates die dem Substrat nächstliegende Schicht einen Brechwert im Bereich von 1.65 bis 1.8 aufweisen muss. Substanzen, die bei guten mechanischen Eigenschaften in diesen Brechwert fallen, sind jedoch nicht bekannt.

Um dieses Problem auf eine andere Art und Weise zu lösen, wurde beispielsweise von der bekannten Tatsache Gebrauch gemacht, dass man eine X/4-Schicht von beliebigem Brechwert durch ein symmetrisches Dreischichtensystem ersetzen kann. Auf diese Art und Weise gelangt man zu Mehrschichtensystemen, wobei der Brechwert der zusammengesetzten X/4-Schicht durch die Schichtdicke der Einzelschichten einstellbar ist. Der Nachteil dieses Lösungsansatzes besteht darin, dass bei der Herstellung mehrerer Schichten in jedem Fall auch mehr Fehlerquellen vorhanden sind und dass bei den teilweise sehr dünnen Teilschichten Probleme in der Kondensation auftreten können und dass durch die höhere Anzahl von Schichten auch die Chargendauer erhöht wird.

Gemäss dem Vorschlag, Mischungen aus hoch- und niederbrechenden Substanzen aufzubringen, wird beispielsweise in der DE-AS 2 154 030 ein Mehrfachschichtenbelag beschrieben, bei dem Mischungen aus Cerfluorid und Ceroxid oder Mischungen aus Cerfluorid und Zinksulfid eingesetzt werden. In der Literatur sind weiter Mischungen von Ceroxid und Siliciumoxid, Zinksulfid und Magnesiumfluorid, Zinksulfid und Natriumaluminiumhexafluorid sowie Ceroxid und Magnesiumfluorid beschrieben. Da alle diese bekannten Systeme jedoch mindestens eine Komponente umfassen, die bezüglich der mechanischen Eigenschaften und Stabilität als nicht zufriedenstellend bekannt ist, eignen sich daher die be2

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schriebenen Systeme nicht zur Herstellung von reflexvermindernden Mehrfachschichten mit den an sie gestellten Qualitätsanforderungen, speziell in bezug auf mechanische Eigenschaften und Stabilität.

Allgemeine Hinweise auf die Verwendung von Schichten aus Oxidmischungen finden sich ferner in der DE-OS 2 050 556, der DE-OS 2 457 474, DE-OS 2 927 856, der US-PS 3 604 784 und der GB-PS 1 380 793. Alie diese Veröffentlichungen beschreiben jedoch hochbrechende XI2 Mittelschichten mit homogenem Aufbau und damit gleichbleibendem Brechwert. Vorschläge für die Optimierung der Reflexverminderung durch mindestens eine dem Substrat nächstliegende Schicht mit mittlerem Brechwert sind in keiner dieser Veröffentlichungen enthalten.

In der DE-OS 2 720 742 wird ebenfalls ein Mehrschichtenbelag beschrieben, bestehend aus einer Kombination von Al203-Schichten mit NdF3 und MgF2-Schichten. Oxidmischungen für die Schichten werden jedoch nicht beschrieben.

In der DE-PS 3 009 533 wird ein Belag beschrieben, der aus einem Gemisch von Tantaloxid und Aluminiumoxid besteht und den erforderlichen Brechwertbereich umfasst. Dieses Gemisch ist für den genannten Anwendungsbereich zwar bedingt tauglich, weist aber trotzdem einige Mängel auf. Da Tantal eine relativ geringe Affinität zu Sauerstoff aufweist, lässt es sich während des Aufdampfens nur schwer durchoxidieren. Als Folge davon muss ein relativ hoher Partialdruck an O2 gewählt werden. Zudem hat es sich gezeigt, dass sich der Brechwert während des Aufdampfens ändert, was unerwünscht ist.

Auch in der DE-PS 1 228 489 wird ein Oxidgemisch von Titanoxid mit Oxiden aus der Gruppe der seltenen Erden beschrieben, das jedoch vor allem einen hohen Brechwert n > 2 neben einer guten Oxidierbar-keit ergibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung mit mittlerem Brechwert auf der Basis von Metalloxidmischungen für die Reflexverminderung von optischen Substraten zu finden, deren Brechwert, wie oben gefordert, einstellbar ist und wobei die einmal in den genannten Grenzen eingestellte Oxidmischung sich während des Aufdampfens in ihrer Zusammensetzung nicht verändert, also keine fraktionierte Verdampfung eines Partners der Oxidmischung auftritt. Im weiteren soll eine leichte Oxi-dierbarkeit vorliegen, d.h. die Bedampfung kann bei einem niedrigen Sauerstoff Partialdruck von ca. 5 x 10-5-1x10-4 mbar Sauerstoff vorgenommen werden.

Die oben erwähnten Aufgaben werden mittels einer Beschichtung gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1 gelöst.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht somit in einer Beschichtung mit mittlerem Brechwert auf der Basis von Metalloxidmischungen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Oxidmischung aus einem homogenen Gemisch von 0-80 Gew.-% Praseodymoxid und dem Rest Aluminiumoxid besteht.

Im weiteren beschreibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtung mittels einer Elektronenstrahlkanone in Vakuum unter reaktiver Atmosphäre, wobei die Beschichtung mit mittlerem Brechwert durch Niederschlagen eines Gemisches aus 0-80 Gew.-% Praseodymoxid und der Rest Aluminiumoxid erzeugt wird.

Gegenstand der Erfindung ist weiter die Verwendung der Beschichtung als reflexvermindernder Belag auf einem optischen Substrat, wobei insbesondere das optische Substrat mit einem reflexvermindernden Mehrschichtenbelag mit Interferenzwirkung versehen ist, wobei die Mehrfachbeschichtung neben der Schicht mit einem mittleren Brechwert eine weitere Schicht mit einem niedrigen Brechwert aufweist sowie gegebenenfalls zusätzliche Schichten mit einem hohen Brechwert, wobei mindestens eine Schicht mit mittlerem Brechwert die dem Substrat nächstliegende Schicht ist.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass eine Mischung aus 0-80 Gew.-% Praseodymoxid und dem Restanteil, bestehend aus Aluminiumoxid, eine homogene Schicht mit mittlerem Brechwert und den weiter geforderten Eigenschaften liefert.

Aluminiumoxid in Form von AI2O3 hat einen Brechwert von n = 1.62, währenddem Praseodymoxid einen Brechwert von n = 2.05 aufweist. Mit der Mischung der Oxide lässt sich der gewünschte Bereich von n = 1.65 bis n = 1.90 überstreichen. Mit steigendem Gehalt der Mischung an Praseodymoxid steigt auch der Brechwert der Schicht, so dass je nach optischem Substrat und gefordertem Brechwert eine geeignete Mischung hergestellt werden kann.

Es hat sich gezeigt, dass Mischungen aus Aluminiumoxid und Praseodymoxid eine ausgezeichnete Haftung auf Glas haben. Die Schicht weist hervorragende mechanische und chemische Eigenschaften auf. Weiter ist der Belag abrieb- und kratzfest sowie unempfindlich gegen Feuchtigkeit und Wechselklima. Auch die Chemikalienbeständigkeit, wie beispielsweise gegen Salzwasser und organische Lösungsmittel, ist ausgezeichnet.

Der erfindungsgemässe Belag aus den beiden Oxiden zeigt, was nicht ohne weiteres zu erwarten war, einen homogenen Aufbau und damit einen konstanten Brechwert über die gesamte Schichtdicke. Bei der erfindungsgemässen Verwendung der Beschichtung, bestehend aus Aluminiumoxid und Praseodymoxid in Mehrfachschichten, müssen weder die Schichtfolge noch die optische Schichtdicke einer oder mehrerer Schichten des Schichtsystems geändert werden, sondern es muss lediglich eine bezüglich des Substrates optimierte Mischung von Aluminiumoxid und Praseodymoxid eingesetzt werden. Aufgrund dieser Optimierungsmöglichkeit der Schicht aus Praseodym- und Aluminiumoxid können Schichtsysteme hergestellt werden, die eine maximale Reflexionsverminderung gewährleisten.

Auf diese Art und Weise und unter Verwendung der erfindungsgemässen Beschichtung können opti-

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sehe Substrate jeglicher Art mit reflexvermindernden Mehrfachschichtbelägen ausgestattet werden. Diese Substrate oder optischen Körper, wie Linsen, Prismen, Filter und dergleichen, können unterschiedliche Brechwerte aufweisen, im allgemeinen jedoch etwa zwischen 1.4 und 1.8 liegend.

Die in Abhängigkeit vom Substratbrechwert durch eine bestimmte Mischung von Aluminiumoxid und Praseodymoxid einzustellenden optimalen Brechwerte lassen sich auf einfache Weise bestimmen. Dies sei beispielsweise anhand des vorab erwähnten A/4-X/2-X/4-Dreifachschichtenbelages unter Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert.

Es wurden die Reflexionskurven für den gesamten Brechwertbereich von optischen Substraten berechnet, wobei als Variable nur der Brechwert der dem Substrat nächstliegenden Schicht mit mittlerem Brechwert angesetzt wurde. Als konstant wurden die Brechwerte für die mittlere Schicht mit hohem Brechwert zu n = 2.35 und für die äusserste Schicht mit niedrigem Brechwert zu n = 1.38 angenommen.

Die Reflexionskurven, die sich bei verschiedenen Brechwerten des Substrates ergeben, sind in den Figuren dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1 die Reflexionskurven, welche den Brechwerten n1 = 1.65, n1 = 1.70 und n1 = 1.75 entsprechen, wobei der Brechwert des Substrates ns = 1.52 beträgt,

Fig. 2 die entsprechenden Reflexionskurven bei variabler mittelbrechender Schicht mit n1 = 1.65, n1 = 1.70 und n1 = 1.75, mit konstant bleibender hochbrechender Schicht, mit einem Brechwert von n2 = 2.1 und der äussersten Schicht mit einem niedrigen Brechwert zu n2 = 1.38 und einem Brechwert des Substrates von n = 1.52, und

Fig. 3 eine entsprechende Reflexionskurve wie in Fig. 2, jedoch auf einem Substrat mit einem Brechwert von 1.6.

Aus allen Abbildungen ist deutlich zu ersehen, dass bei Einstellung eines spezifischen Brechwertes der mittelbrechenden Schicht n1 eine optimale Reflexionsverminderung erreichbar ist.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel beschreibt die Möglichkeit, jeden möglichen Brechwert zwischen n = 1.62 bis n = 1.90 einzustellen. Das Material eignet sich als Oberflächenantireflexionsschicht für Substrate mit hohem Brechwert, wie Silicium, Galliumarsenid und ähnliche Materialien. Die Oberflächenreflexion ist eine quadratische Funktion der Brechungsindizes des Filmes.

t2

Dabei ist R =

n,

< ns - nf

)

n,

( ns + n£

(1).

worin no: der Brechungsindex des umgebenden Mediums (Luft, no = 1.0),

ns : der Brechungsindex des Substrates (ns = 3.5 bei Galliumarsenid), und nt: der Brechungsindex des Filmes ist.

Diese Gleichung lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen:

R- (nf—1.87) (2)

Durch genaue Einstellung der Brechungsindizes der Reflexionsschicht kann also die Oberflächenreflexion gegen 0 gehen.

Claims

Patentansprüche

1. Transparente Beschichtung mit mittlerem Brechwert, bestehend im wesentlichen aus mindestens einer Metalloxidmischung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem wenigstens nahezu homogenen Gemisch aus bis zu 80 Gew.-% Praseodymoxid und der Rest Aluminiumoxid besteht.

2. Transparente Beschichtung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus 20 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 80 Gew.-%, Praseodymoxid besteht.

3. Verfahren zur Herstellung einer transparenten Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, durch Aufdampfen einer Elektronenstrahlkanone im Vakuum und unter reaktiver Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch aus bis zu ca. 80 Gew.-% Praseodymoxid und der Rest bestehend aus Aluminiumoxid niedergeschlagen wird.

4. Optisches Substrat mit mindestens einer transparenten Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2.

5. Reflexreduzierender Mehrschichtenbelag für die Reflexverminderung an einem optischen Substrat, umfassend mindestens eine transparente Beschichtung resp. Schicht nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der reflexreduzierende Mehrschichtenbelag mit Interferenzwirkung versehen ist, wobei zusätzlich zur mindestens einen Schicht resp. Beschichtung mit einem mittleren

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Brechwert mindestens eine weitere Schicht vorgesehen ist mit einem niedrigen Brechwert, wobei eine Schicht mit mittlerem Brechwert dem optischen Substrat am nächsten liegend angeordnet ist.

6. Reflexreduzierender Mehrschichtenbelag nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zusätzliche Schicht mit einem hohen Brechwert vorgesehen ist.

7. Reflexreduzierender Mehrschichtenbelag nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der mindestens einen zusätzlichen Schicht mit einem hohen Brechwert dünner ist als diejenige der übrigen Schichten.

8. Reflexreduzierender Mehrschichtenbelag nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens einen weiteren Schicht aus Magnesiumfluorid besteht.

9. Refiexreduzierender Mehrschichtenbelag nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht mit einem mittleren Brechwert aus einem Gemisch aus 20 bis 80 Gew.-% Praseodymoxid und 20 bis 80 Gew.-% Aluminiumoxid besteht.

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