CH685137A5

CH685137A5 - Optisches Element bzw. System mit einer dünnen Schicht aus Galliumoxid und Herstellverfahren dafür.

Info

Publication number: CH685137A5
Application number: CH634/94A
Authority: CH
Inventors: Bernhard Gaenswein
Original assignee: Zeiss Carl Fa
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1995-03-31
Also published as: US5474851A; WO1994001792A1; DE4321301A1; JPH07501160A

Description

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CH 685 137 A5

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein optisches Element nach Anspruch 1, ein optisches System nach Anspruch 4 und ein Verfahren nach Anspruch 5.

Optische Elemente mit dünnen Schichten werden zur Entspiegelung, zur Verspiegelung, als Filter usw. in der Optik routinemässig verwendet und unter anderem mit kommerziellen Apparaturen durch reaktives Aufdampfen von Metallen u.a. im Vakuum mit Sauerstoff oder anderen Reaktionspartnern hergestellt.

Dünne Schichten sind insbesondere Überzüge aus dielektrischen Substanzen oder Metallen von der Dicke weniger Moleküllagen bis zur Dicke in der Grössenordnung der Wellenlänge des sichtbaren und infraroten Lichts.

Aus der Offenlegungsschrift JP 1 225 315 ist ein Verfahren zur Abscheidung von reinem Gallium auf einem Substrat bekannt. Auch sind dünne Schichten aus Galliumnitrid und Galliumarsenid bekannt, nicht jedoch technische Anwendungen von Galliumoxid.

In dem «Handbook of Chemistry and Physics», 71 st ed. 1990-91, CRC PRESS, Boca Raton (USA), Seite 4-65 ist für kristallines Ga2C>3 der Brechungsindex mit n = 1,92-1,95 angegeben, für hydriertes Ga203 - H2O mit n = 1,84, für andere Oxide des Galliums fehlt der Brechungsindex.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen Materials für dünne Schichten, insbesondere für Antireflexschichten auf Glas oder Quarzglas.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Element mit den Merkmalen des Anspruches 1, ein optisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5.

Überraschend wurde gefunden, dass für eine solche dünne Schicht der Brechungsindex niedriger ist als der von üblichem Optik-Glas oder von Quarzglas, im Gegensatz zum Literaturwert für massives Galliumoxid. Insbesondere liegt, der Brechungsindex einer erfindungsgemässen Schicht im Bereich von 1,2 bis 1,3. Daraus leitet sich die besondere Eignung als Antireflexschicht für Glas oder Quarzglas ab.

Beim Aufdampfverfahren ist die Elektronenstrahlverdampfung besonders vorteilhaft. Optische Elemente können die erfindungsgemässe dünne Schicht einzeln oder in Kombination mit anderen dünnen Schichten tragen.

Weiter wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen beschrieben:

Fig. 1 zeigt das spektrale Reflexionsvermögen einer erfindungsgemässen Schicht auf BK7 Glas im Vergleich zum unbeschichteten Glas;

Fig. 2 zeigt das spektrale Reflexionsvermögen einer erfindungsgemässen Schicht auf Quarzglas im Vergleich zum unbehandelten Quarzglas;

Fig. 3 zeigt das spektrale Transmissionsvermögen einer erfindungsgemässen Schicht auf BK7 Glas im Vergleich zum unbeschichteten Glas;

Fig. 4 zeigt das spektrale Transmissionsvermögen einer erfindungsgemässen Schicht auf Quarzglas im Vergleich zum unbehandelten Quarzglas.

In einer kommerziellen Anlage zum reaktiven Aufdampfen von dünnen Schichten mit Elektronenstrahlverdampfung im Vakuum wurden übliche planparallele Platten und Keile aus dem optischen Glas BK7 von der Firma Schott in Mainz, Deutschland und aus dem Quarzglas Suprasil nach üblicher Reinigung eingebracht. Zum späteren Vergleich zwischen beschichteter und unbeschichteter Probe sind die Keile und Platten teilweise abgedeckt. Metallisches handelsübliches Gallium (Reinheit besser als 99,9%) wurde in einem Kupfer-Verdampfungstiegel eingebracht.

Bei einem Restgasdruck von 1,3-1,5 • 10"5 mbar und einem Sauerstoff-Druck von 2,7 • 10~4 mbar wurde die Elektronenstrahl-Verdampfung mit einer Aufdampfungsrate von 0,2 nm/s bis zu einer Schichtdicke von 108 nm durchgeführt. Nach einer Abkühlzeit von 5 Minuten und einer Wartezeit von 50 bis 100 Minuten werden die Platten und Keile entnommen und anschliessend an Luft im Ofen bei 250°C ca. 750 Minuten getempert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen für die so behandelten Keile aus Glas bzw. Quarzglas den Verlauf des spektralen Reflexionsvermögens im Vergleich mit den durch die Abdeckung unbeschichtet gebliebenen Bereichen derselben Keile. Die Reflexminderung durch die Galliumoxidschicht ist im gesamten Spektralbereich deutlich.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die entsprechende Erhöhung der Transmission der mit Galliumoxid beschichteten Platten aus Glas bzw. Quarz im Vergleich zu deren unbeschichteten Bereichen.

Die Brechzahl der erfindungsgemässen Schichten sowohl auf Glas als auch auf Quarzglas wurde aus dem Minimum der Reflexionsminderung, d.h. aus der Reflexion R der A/4-Stelle, nach der bekannten Formel

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n Schicht ~ ^ n Glas A " ^5*

1 + /R

einheitlich mit n = 1,23 bis n = 1,25 festgestellt. Dieser Wert ist deutlich niedriger als die Brechzahl n Glas des Substratmaterials und vor allem viel niedriger als der für Galliumoxid am Stück angegebene Brechungsindex, der grösser als 1,8 ist.

Bei anderen üblichen Materialien für dünne optische Schichten (z.B. MgF2) tritt ein solcher Unterschied der Brechzahl von dünner Schicht gegenüber massiven Stücken nicht auf.

Es hat sich gezeigt, dass für die Erzeugung erfindungsgemässer dünner Schichten aus mit Sauerstoff oxidiertem Gallium, das nicht in stochiometrischer Form als Ga2Û3 rein vorliegen muss, keine besonderen Massnahmen der Aufdampftechnologie erforderlich sind. Vielmehr kommt es nur auf die Bereitstellung von Gallium als Verdampfungsmaterial und eine sauerstoffhaltige Atmosphäre an.

Die dünnen Schichten aus oxidiertem Gallium können auf in der Optik übliche Substrate und Schichten aufgebracht werden und mit üblichen dünnen Schichten auch aus anderen Materialien überdeckt werden.

Wegen der relativ lockeren Struktur der Galliumoxidschicht, die nicht völlig wischfest ist, eignet sie sich insbesondere für die Beschichtung von innenliegenden Flächen auf z.B. Linsen in komplexeren optischen Systemen wie z.B. photographische Objektive, Mikroskopoptik etc.

Claims

Patentansprüche

1. Optisches Element mit einer dünnen Schicht aus mit Sauerstoff oxidiertem Gallium, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl der dünnen Schicht im Bereich von 1,2 bis 1,3 liegt.

2. Optisches Element nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausbildung der dünnen Schicht als Antireflexschicht auf Glas oder Quarzglas als Träger.

3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich eine oder mehrere dünne Schichten aus anderen Materialien trägt.

4. Optisches System, dadurch gekennzeichnet, dass es ein oder mehrere optische Elemente nach Anspruch 1, 2 oder 3 enthält und dass die dünnen Schichten aus mit Sauerstoff oxidiertem Gallium auf innenliegenden Flächen angeordnet sind.

5. Verfahren zum Herstellen optischer Elemente mit dünnen Schichten nach Anspruch 1 durch reaktives Aufdampfen im Vakuum mit Sauerstoff und durch anschliessendes Tempern an Luft, gekennzeichnet durch das Verdampfen von Gallium.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfen mittels Elektronenstrahl erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff-Partialdruck im Vakuum rund 2,7 • 10~4 mbar beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur beim Tempern 250°C beträgt.

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