DD230651A3

DD230651A3 - Laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches schichtoptisches bauelement

Info

Publication number: DD230651A3
Application number: DD83255865A
Authority: DD
Inventors: Erik Hacker; Helmut Bernitzki; Reinhard Dohle; Juergen Meyer; Hans Lauth; Reinhard Wolf
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-10-21
Filing date: 1983-10-21
Publication date: 1985-12-04
Also published as: DE3430580A1; CH665292A5; SU1446580A1; DE3430580C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches schichtoptisches Bauelement. Die Erfindung ist im optischen Geraetebau, in der Mikroelektronik, Optoelektronik und auf dem Gebiet der integrierten Optik anwendbar. Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines absorptionsfreien optischen Duennschichtbauelements mit hoher Laserstrahlungsfestigkeit, das oekonomisch guenstig und ohne zusaetzlichen technologischen Aufwand herstellbar ist. Als Aufgabe ergibt sich daraus, Loesungsmoeglichkeiten fuer eine unmittelbare Erhoehung der Laserstrahlungsresistenz der einzelnen Schichten selbst bereits waehrend ihres Darstellungsprozesses zu finden. Die Aufgabe wird durch ein laserstrahlungsfestes absorptionsfreies optisches Duennschichtbauelement geloest, bei dem der Sauerstoffgehalt der Schichten um mindestens 2% groesser ist als es zur Einhaltung einer vollstaendigen Stoechiometrie notwendig ist.

Description

Laserresistenz von Oxidschichten durch Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks beim Aufdampfen ist jedoch nur nachgewiesenermaßen bis zu bestimmten Grenzen gangbar. Einerseits gilt die Korrelation Laserresistenz/ Sauerstoffpartialdruck nur für Absorptionswerte größer 10~⁴, d.h. für Schichten, die den Verlustanforderungen an dielektrische optische Schichten kaum genügen. Andererseits haben splche hohen Sauerstoffpartialdrücke negative Auswirkungen auf eine Reihe weiterer Gebrauchswerteigenschaften (mechanische und chemische Stabilität, Schichtporosität u.a.). Untersuchungen hierzu finden sich in E.Ritter: J.Vac.Sci.u.Technol.3 (1966) S.225.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines absorptionsfreien oxidischen schichtoptischen Bauelements mit hoher Laserstrahlungsfestigkeit, das ökonomisch günstig und ohne zusätzlichen technologischen Aufwand herstellbar ist.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungsmöglichkeiten für eine unmittelbare Erhöhung der Laserstrahlungsresistenz der einzelnen Schichten selbst bereits während ihres Darstellungsprozesses zu finden. Die zu erarbeitende Lösung soll dabei insbesondere ökonomisch aufwendige Veränderungen des Schichtsystemaufbaus und/oder zusätzlichen technologischen Aufwand, hauptsächlich Vor- bzw. Nacharbeit, vermeiden und auf alle absorptionsfreien optischen Dünnschichtbauelemente anwendbar sein.

Die Aufgabe wird durch ein laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches schichtoptisches Bauelement, bestehend aus mindestens einer, auf einem beliebigen Substrat angeordneten und mindestens ein Metalloxid enthaltenden Schicht dadurch gelöst, daß die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome um mindestens 2% größer ist als die Anzahl an Sauerstoffatomen, die zur Einhaltung des stöchiometrischen Atomzahlverhältnisses Sauerstoff/Metall für die in der Schicht enthaltenen Metalloxidverbindung in ihrer jeweils höchsten Wertigkeitsstufe entsprechend notwendig ist. FUrTa₂O₅; Nb₂O₃ und SiO₂ als schichtbildende Metalloxidverbindung ergeben sich vorteilhafte Ausführungsformen, wenn der erfindungsgemäße Sauerstoffüberschuß 2% beträgt. Entsprechend gilt bei TiO₂-Schichten ein Überschuß von 8% und bei ZrO₂-Schichten ein Überschuß von 5% als zweckmäßig. Die mit den angegebenen erfindungsgemäßen Schichteigenschaften versehenen schichtoptischen Bauelemente zeichnen sich durch eine bisher nicht erreichte Laserfestigkeit aus. Dabei werden Veränderungen im Schichtsystemaufbau vermieden, der Aufwand zur Herstellung und die Kosten für die Bauelemente sind nicht erhöht. Die vorstehend dargelegte erfindungsgemäße Lösung ist auf alle oxidischen schichtoptischen Bauelemente sowie bei deren Herstellungsverfahren anwendbar.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Beispiels näher erläutert werden:

Das laserstrahlungsfeste absorptionsfreie oxidische schichtoptische'Bauelement besteht aus einer, auf einem Glassubstrat angeordneten, Schicht aus Ta₂O₅. Die Zahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome ist um 2% größer, als die Zahl der Sauerstoffatome, die zur Einhaltung des stöchiometrischen Atomzahlverhältnisses Sau erstoff/Ta ntal entsprechend notwendig ist.

Die Realisierung des erfindungsgemäßen, zur Steigerung der Laserresistenz von Oxidschichten geforderten 2% über dem stöchiometrischen Verhältnis liegenden Sauerstoffgehaltes, unterliegt keinerlei Einschränkungen. Der Einbau kann mit Hilfe von allen bekannten technischen Mitteln und Maßnahmen erfolgen, die zum Gaseinbau in dünne Schichten während und/oder nach der Schichtdarstellung führen. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, den erforderlichen Sauerstoffeinbau bereits unmittelbar während der Schichtdarstellung mit den für optische Schichten gegenwärtig üblicherweise verwendeten physikalischen Schichtdepositionsverfahren (Aufdampfen, Sputtern usw.) durch die Wahl von geeigneten Schichtdepositionsbedingungen herbeizuführen.

Claims

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Erfindungsanspruch:

1. Laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches schichtoptisches Bauelement, bestehend aus mindestens einer, auf einem beliebigen Substrat angeordneten und mindestens ein Metalloxid enthaltenden oxidischen Schicht, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome um mindestens 2% größer ist, als die Anzahl an Sauerstoffatomen, die zur Einhaltung des stöchiometrischen Atomzahlverhältnisses Sauerstoff/Metall für die in der Schicht enthaltenen Metalloxidverbindung in ihrer jeweils höchsten Wertigkeitsstufe entsprechend notwendig ist.
2. Laserstrahlungsfestes schichtoptisches Bauelement nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome bei einer Ta₂O₅ als Metalloxidverbindung enthaltenden Schicht um 2% größer ist
3. Laserstrahlungsfestes schichtoptisches Bauelement nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome bei einer TiO₂ als Metalloxidverbindung enthaltenden Schicht um 8% größer ist.
4. Laserstrahlungsfestes schichtoptisches Bauelement nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome bei einer Nb₂O₃ als Metalloxidverbindung enthaltenden Schicht um 2% größer ist.
5. Laserstrahlungsfestes schichtoptisches Bauelement nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome bei einer SiO₂ als Metalloxidverbindung enthaltenden Schicht um 2% größer ist.
6. Laserstrahlungsfestes schichtoptisches Bauelement nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome bei einer ZrO₂ als Metalloxidverbindung enthaltenden Schicht um 5%jjrößer ist. "" " .

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches schichtoptisches Bauelement. Die Erfindung ist im optischen Gerätebau für oxidische schichtoptische Bauelemente, beispielsweise Spiegel, Filter oder Strahlungsteiler u.a.

anwendbar.

Darüber hinaus kann das vorgeschlagene Bauelement in allen anderen Bereichen der Technik eingesetzt werden, in denen die Vermeidung von Zerstörungen durch intensive Laserstrahlungen notwendig ist und dieser Forderung entsprechende Bauelemente benötigt werden, wie z. B. in der Optoelektronik, Mikroelektronik und auf dem Gebiet der integrierten Optik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die im Vergleich zu kompakten optischen Bauelemente bzw. deren Oberflächen sehr viel geringere Beständigkeit von optischen dünnen Schichten gegenüber intensiver Photonenbestrahlung stellt gegenwärtig einen wichtigen, die Energiefluenz von Laseranlagen begrenzenden. Faktor dar. Durch diesen Faktor werden die Aperatur und damit die Kosten von Hochleistungslaseranlagen bestimmt.

Aufgrund ihrer hohen Gebrauchswerteigenschaften, wie mechanische und chemische Stabilität, werden gegenwärtig im Spektralbereich vom nahen UV bis zum nahen IR vorrangig Oxidschichten bzw. oxidische Schichtsysteme eingesetzt, so daß sich das Interesse an einer Verbesserung der Laserstrahlungsfestigkeit vor allem auf diesen Schichtsubstanzkreis bzw. die daraus gefertigten schichtoptischen Bauelemente bezieht. Über die zur Erhöhung der Laserstrahlungsfestigkeit führenden physikalischen und chemischen Ursachen besteht noch weitestgehende Unklarheit bzw. existieren zum Teil gegensätzliche Auffassungen. Diesem Sachverhalt ist auch zuzurechnen, daß auf diesem Gebiet noch mit weitgehender Empirie gearbeitet wird und nur schwer reproduzierbare Ergebnisse erreicht werden können, was sich auch in der Fachliteratur, die dieser Problematik gewidmet ist, niederschlägt (H. E. Bennet et. al. Appl. Opt. 19 (1980) S. 2375). Der Fachwelt ist es bisher nur gelungen, einige Teillösungen zu erarbeiten. Ein generelles Lösungsprinzip wird, bedingt durch fehlende theoretische Grundlagen, noch vermißt.

Eine erste Gruppe von Maßnahmen zur Erhöhung der Laserstrahlungsfestigkeit ist allgemein bekannt und bezieht sich auf Änderungen des Schichtsystemaufbaus (Schichtdesign). Durch geeignete Änderungen der Schichtdicken werden die Maxima der Feldstärke der einfallenden Strahlung von den einzelnen Schichtgrenzflächen weg in das Innere der Schicht verlagert, da diese Grenzflächen erfahrungsgemäß die geringste Laserfestigkeit aufweisen. Dies hat aber systemtheoretisch notwendig einen nachteiligen Einfluß auf das Reflexions- bzw. Transmissionsvermögen und erfordert im weiteren hohen Aufwand bei der Schichtdickenkontrolle während des Herstellungsprozesses.

Weiterhin ist bekannt, daß zusätzliche niedrigbrechende Lambda/2-Schichten zu einer Verbesserung der Laserfestigkeit von herkömmlichen oxidischen Schichtsystemen führen (W. H.Lowdermilk et.al.Thin Solid Films 73 (1980), S. 155). Diese Lösung erfordert ebenfalls erhöhten Aufwand bei der Schichtherstellung und deren Kontrolle und ist nur von geringer Effektivität.

Eine zweite Gruppe von Maßnahmen bezieht sich, gemäß der letztgenannten Literaturstelle, auf Verbesserungen der Reinheit der Schichtsubstanzen und der Sauberkeit der Substratoberfläche. Dies kann aber, aufgrund der geringen Rolle der Sauberkeit der Substratoberfläche bei vielen Dünnschichtbauelementen (z. B. Verspiegelungsbeläge) und der relativ niedrigen Wirksamkeit nur begleitende und nicht alleinige Maßnahme sein. Nachteilig ist hier weiterhin der Aufwand für notwendige Vor- oder Nacharbeiten.

Mit den gleichen vorgenannten Nachteilen behaftet ist auch eine von D. Milam et. al. in Appl.0pt.21 (1982), S.3689 vorgeschlagene Methode:

Durch nachträgliches Tempern lassen sich Absorptionsverluste verringern und damit die Laserfestigkeit geringfügig erhöhen.

Eine dritte Gruppe von Maßnahmen bezieht sich auf eine Optimierung der Schichteigenschaften, wie beispielsweise Absorption, Schichtporosität, Brechzahl oder Langzeits.tabilität, die in direktem oder indirektem Zusammenhang mit den Laserzerstörungsschwellen der optischen Dünnschichtbauelemente stehen. Solche Optimierungen werden aus ökonomischen und zweckmäßigen Gründen hauptsächlich durch Variation von Depositionsparametern bei den zur Herstellung der Bauelemente in der Regel angewandten physikalischen Schichtdepositionsverfahren (Aufdampfen, Sputtern u.a.) durchgeführt.

Dabei werden zumeist die fundamentalen Verfahrensbedingungen'(Prozeßparameter), insbesondere Substrattemperatur, Beschichtungsrate und Partialdruck in der Vakuumkammer variiert.

So ist von S.H.Apfel in Thin Solid Films 73 (1980) S. 167 und C.K.Carniglia in Thin Solid Films 77 (1981), S. 225 eine inverse Korrelation zwischen Laserresistenz und Absorption festgestellt worden. Die Absorption kann wiederum durch den Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer beeinflußt werden. Der daraus ableitbare Weg zur Verbesserung der