DD289674A7 - Metallschichtreflektor - Google Patents

Abstract

Der erfindungsgemaesze Metallschichtreflektor kommt in den Gebieten der Technik zum Einsatz, wo ein hohes Reflexionsvermoegen bezueglich elektromagnetischer Strahlung in Einheit mit einer hohen Bestaendigkeit gegenueber mechanischen, chemischen und klimatischen Einfluessen erforderlich ist. Die Erfindung betrifft einen Metallschichtreflektor, der dadurch gekennzeichnet ist, dasz die reflektierende Schichtsubstanz aus einem Schichtensystem, bestehend aus einer alternierenden Folge von stark reflektierenden Metallschichten und schwach reflektierenden, transparenten Nichtmetallschichten, aufgebaut ist, dasz dieses Schichtensystem aus mindestens 5 Schichten besteht und dasz die Schichtdicke der einzelnen Metall- und Nichtmetallschichten kleiner als der fuenfzigste Teil der groeszten zu reflektierenden Wellenlaenge der Strahlung ist.{Metallschichtreflektor; Reflexionsvermoegen; elektromagnetische Strahlung; Bestaendigkeit; Schichtensystem; Schichtdicke; Wellenlaenge; alternierende Folge; Metallschicht; Nichtmetallschicht}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist dort anwendbar, wo ein hohes Reflexionsvermögen bezüglich elektromagnetischer Strahlung in Einheit mit einer hohen Beständigkeit gegenüber mechanischen, chemischen und klimatischen Einflüssen erforderlich ist. Insbesondere für den sichtbaren Spektralbereich und für die Voderflächenspiegelung von Infrarotstrahlung ist der erfindungsgemäße Metallschichtreflektor geeignet

Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind auf den Gebieten der Hartstoff-, Passivierung- und Dekorativ-Schichttechnik gegeben.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Metallschichtreflektoren für die breitbandige Reflexion von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von sichtbarem und infrarotem Licht in spiegeloptischen Systemen, sind herkömmlich Metallschichtvorderflächenspiegel, die durch einen im folgenden beschriebenen Schichtaufbau gekennzeichnet sind. Zwischen der Ti ägerschicht und der reflektierenden Metallschicht befindet sich e«ne Ausgleichs- und/oder Haftvermittlerschicht. Auf der reflektierenden Metallschicht befindet sich ein reflexionserhöhendes Deckschichtsystem und/oder eine Schutzschicht (Appl. Opt. 14 (1975) 11,2639). Die Problematik besteht in der Realisierung eines hohen Reflexionsvermögens in Verbindung mit einer hohen Beständigkeit gegenüber mechanischen, chemischen und klimatischen Einflüssen.

Die Anstrengungen zur Erhöhung der Stabilität gegenüber diesen Einflüssen gehen in 3 Richtungen. So sind Lösungen bekannt, die die Auswahl geeigneter Materialien für die reflektierende Metallschicht, wie reine Metalle, verschiedene Legierungen (US-PS 4093349), DE-AS 2032639, GB-PS 1299976, US-PS 4337133, DE-AS 2445763, GBPS 1507532, DE-OS 2406891) und Cermete zum Inhalt haben.

Eine andere Richtung zur Erhöhung der Stabilität wird durch eine gezielte Oberflächenbehandlung beschriften. Dazu sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Metallschichtreflektoren wie z.B. Aufdampfprozeßführungen sowie Vor- und Nachbehandlungen bekannt geworden. Neben dem Sputterverfahren zur Abscheidung der metallischen Schicht (GBPS 1299976, US-PS 4337133, DE-OS 3118957, US-PS 3798146) und der Anwendung spezieller Temperverfahren (US-PS 4093349, DE-OS 3118957) sind analoge Lösungen für Schichtfolgen und -Zusammensetzungen, sowie Abscheideverfahren bei der Metallisierung aus der Mikroelektronik bekannt (DE-PS 2313983, DE-AS 2015457, DE-AS 2727659).

Ein dritter Teil bekannt gewordener Lösungen betrifft die Auswahl geeigneter Materialien für Schutzschichten und Haftverminlerschichten. So ist neben der Verwendung einer zusätzlichen Legierungsschicht auch die Anwendung einer zusätzlichen metallischen Schicht, die entweder vollständig eingebettet (DE-OS 1912937, DE-OS 2147932, DE-AS 2445763) oder die der reflektierenden Metallschicht vorgelagert ist, bekannt.

Die Anwendung einer zusätzlich vorgelagerten metallischen Schicht zur Verbesserung des Oberflächenschutzes (DE-OS 2406891, EP116173, DE-OS 2 333178) bzw. zur Erhöhung der Haftfähigkeit durch eine Ausgleichs- und Haftvermittlerschicht (US-PS 3616406, US-PS 3798146, DE-OS 3118957, US-PS 4223974, US-PS 4475794, DD-WP 227539) konnte jedoch zu keiner wesentlichen Verbesserung der Resistenzeigenschaften gegenüber mechanischen, chemischen und klimatischen Einflüssen führen, da Metalle prinzipiell eine geringe Stabilität gegenüber diesen Einflüssen aufweisen und durch die zusätzliche Schicht die häufig erforderliche Reflexionserhöhung nicht erreicht werden kann.

Der Einsatz von dielektrischen Deckschichten zum Oberflächenschutz der reflektierenden Metallschicht (DE-PS 921641, DE-AS 1286710,CH-PS 49409,DD-WP 132797,DE-OS 2028252,GB-PS 1507532,DE-OS 3316548,DE-OS 2262377,SU-PS 591423, EP 30792, JP 59176701) gehört gegenwärtig ebenfalls zum Stand der Technik. Die Einbettung der reflektierenden Metallschicht zwischen zwei Oxidschichten (DE-OS 2750500, DE-OS 2830723) oder Kohlenstoffschichten (DD-WP 203903) zur Verbesserung der Beständigkeit von halbdurchlässigen Architekturglasbeschichtungen ist konstruktionsbedingt zur Realisierung von breitbandig reflektierenden Metallschichtreflektoren nicht geeignet. Kaum geeignet für die Verbesserung der Beständigkeit von Metallschichtreflektoren erweist sich die Einbettung der reflektierenden Metallschicht im Polyurethan (DE-OS 2121167) aufgrund der geringen Härte und des ungünstigen spektralen Absorbtionsverhaltens der Plasteschicht der nicht gegebenen Verfahrenskompatibilität bzgl. den Beschichtungstechniken für optische Elemente. Obwohl die dielektrischen und Halbleiterschichten in breitem Umfang als Deckschichten und/oder Haftvermittlerschichten zur Verbesserung der mechanischen, chemischen und klimatischen Stabilität bei Metallschichtreflektoren eingesetzt werden, sind die mit den bekannten Schichtensystemen erreichbaren Verbesserungen nicht befriedigend. Die Hauptursachen dafür liegen einerseits in den schwer zu vermeidenden Defekten in den Deckschichten, die sowohl bei der Herstellung als auch bei der Applikation entstehen, und andererseits in den erheblichen Unterschieden der physikalisch-chemischen Eigenschaften wie z. B. schichtwachstumsbedingten Spannungen, unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und mikrostrukturellen Fehlanpassungen zwischen den metallischen und dielektrischen Schichten, die aus optischen und Stabilitätsgründen relativ dick gewählt werden müssen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer und des Gebrauchswertes von Metallschichtreflektoren zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Metallschichtreflektor für elektromagnetische Strahlung zu entwickeln, der durch seinen Aufbau eine hohe Beständigkeit gegenüber mechanischen, chemischen und klimatischen Einflüssen erreicht. Die strahlungsoptischen Parameter wie z. B. Reflexionsvermögen, Absorptionsverlust und Streuung sollen den Werten, die mit herkömmlichen Metallschichtreflektoren erzielt werden, nicht nachstehen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Metallschichtreflektor, bestehend aus einer auf einem Träger aufgebrachten Schichtsubstanz, die zwischen einer trägerseitig befindlichen Ausgleichs-und/oder Haftvermittlerschicht und einem anderseitig vorgelagerten refloxionserhöhenden Deckschichtsystem und/oder einer Schutzschicht angeordnet ist, dadurch gelöst, daß die reflektierenden Schichtsubstanz aus einem Schichtensystem, bestehend aus einer alternierenden Folge von stark reflektierenden Metallschichten und schwach reflektierenden, transparenten Nichtmetallschichten, aufgebaut ist, daß dieses Schichtensystem aus mindestens 5 Schichten besteht, und daß die Schichtdirke der einzelnen Metall- und Nichtmetallschichten kleiner als der fünfzigste Teil der größten zu reflektierenden Wellenlänge ddr Strahlung ist. Es ist vorteilhaft, wenn das Schichtensystem aus der alternierenden Folge von Metall- und Nichtmetallschichten so aufgebaut ist, daß jeweils die, die Schichtfolge abschließende Schicht, eine Nichtmetallschicht ist. Wird die Metallschicht mit M und die Nichtmetallschicht mit N bezeichnet, besitzt die erfindungsgemäße Schichtfolge des reflektierenden Schichtensystems folgendes Design: N, (M, N)¹, M, N mitl = 1.

Zur Gewährleistung eines hohen Reflexionsgrades muß der Schichtenaufbau, die Schlchtengeometrio und die Materialauswahl so erfolgen, daß der Strahlungsahsorpiionsverlust, der insgesamt in den Nichtmetallschichten auftritt, einen Wert von 10% der einfallenden Suahiungsintensitat nicht übersteigt.

Die Schichtdicken werden so gewählt, daß sie einen kleineren Wert besitzen, als der fünfzigste Teil der am größten zu reflektierenden Wellenlänge darstellt. Bei den in dieser Größenanordnung z. B. für sichtbares Licht und IR-Strahlung realisierten Schichtdicken, sind die reflektierenden Metallschichten für die Strahlung teildurchlässig. Nur ein Teil der einfallenden Strahlung wird reflektiert. Aus diesem Grund ist es notwendig, daß das Schichtensystem aus der alternierenden Folge von Metall- und Nichtmetallschichten aus mindestens 5 Schichten aufgebaut ist, um einen ausreichend hohen Reflexionsgrad zu sichern. Für die im Schichtensystem enthaltenen Metallschichten ist die Verwendung von Gold, Silber, Kupfer, Molybdän, Aluminium, Metallen der Platingruppe oder von Legierungen dieser Metalle zweckmäßig. Als Substanz für die Nichtmetallschichten sind Fluoride, Oxide, Si 'fide, Telluride, Germanium, Silizium, transparenter Kohlenstoff (i-C) oder Chalkogenidgläser vorzugsweise geeignet. Durch ciie alternierende Folge von Metall- und Nichtmetallschichten wird durch das Schichtensystem eine wesentlich höhere Festigkeit und Härte errr :ht. Damit ist eine beträchtliche Erhöhung der Stabilität des Metallschichtreflektors gegenüber mechanischen Einflüssen geguben. Gegenüber chemischen und klimatischen Einflußfaktoren wird ebenfalls eine wesentlich höhere Beständigkeit erreicht. Ein weiterer Vorteil gegenüber den bekannten Metallschichtreflektoren kann durch die Möglichkeit der Nutzung geringer Schichtstärken erzielt werden. Die dadurch stärker eingeschränkte Streuung der einfallenden Strahlung innerhalb der Schichten bewirkt eine Verbesserung der strahlungsoptischen Eigenschaften.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden. Es zeigt

Fig 1: die schematische Darstellung des Schichtenaufbaus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Metallschichtreflektors.

Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Metallschichtreflektors ist für den Einsatz im mittleren infraroten Spektralbereich bostimmt. Auf die aus Glas- oder Halbleitermaterial bestehende Trägerschicht 12 wird das erfindungsgemäße Schichtensystem, aus der

alternierenden Folge von Metallschichten 2,4,6,8,10 und Nichtmetallschichten 1,3,5,7,9,11 bestehend, aufgebracht. Die

Metallschichten 2,4,6,8,10 bestehen aus Gold und für die Nichtmetallschichten 1,3,5,7,9,11 wurde transparenter Kohlenstoff

(i-C) verwendet.

Aufgrund der guten Adhäsion von transparentem Kohlenstoff aufHalbleiter- und Glassubstraten kann auf eine zusätzliche Haftvermittlerschicht verzichtet werden, da im Ausführungsbeispiel die das Schichtensystem beidseitig abschließenden Schichten, Nichtmetallschichten 1,11 aus transparentem Kohlenstoff sind. Die Schichtstärke der Metallschichten 2,4,6,8,10 aus Gold liegt im Bereich von 10 bis 20 nm. Die das Schichtensystem

abschließenden Nichtmetallschichten 1,11 weisen eine Stärke von etwa 100nm auf. Die Nichtmetallschichten 3,5,7,9, die sich innerhalb des Schichtensystems befinden, sind 20 bis 60nm dick.

Entsprechend Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Schichtensystem aus 5 Metallschichten 2,4,6,8,10 und 6 Nichtmetallschichten 1,

3, S, 7,9,11 aufgebaut. Diese Schichtenanzahl ist für die Realisierung des erforderlichen hohen Reflexionsgrades bei den gegebenen Schichtdicken notwendig.

Bei einer prinzipiell möglichen Verringerung der Schichtdicken entsprechend des Ausführungsbeispiels ist jedoch eine Erhöhung der Schichtenanzahl innerhalb des erfindungsgemäßen Schichtensystems erforderlich, um den hohen Reflexionsgrad

des Metallschichtreflektors zu sichern. So muß z. B. bei einer Schichtstärke von 5 nm für die Schichten aus Gold und transparentem Kohlenstoff das Schichtensystem aus 20 Goldschichten und 21 Kohlenstoffschichten aufgebaut sein.

Falls ein, über das Reflexionsvermögen des erfindungsgemäßen Schichtensystems hinausgehender Reflexionsgrad erforderlich

ist, können auf dem Metallschichtreflektordesign des Ausführungsbeispiels noch die an sich bekannten, reflexionserhöhenden

Deckschichtsysteme zusätzlich aufgebracht werden. Zur Erzielung der gewünschten Gebrauchswerteigenschaften,

insbesondere der hohen Beständigkeit gegenüber mechanischen, chemischen und klimatischen Einflüssen, ist es zweckmäßig, den erfindungsgemäßen Metallschichtreflektor mittels Sputterverfahren zu erzeugen, wobei die Nichtmetallschichten 1,3,5,7, 9,11 aus transparentem Kohlenstoff ausschließlich mit ionengestützten Beschichtungsverfahren herstellbar sind.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   1. Metallschichtreflektor, bestehend aus einer auf einen Träger aufgebrachten reflektierenden Schichtsubstanz, die zwischen einer trägerseitig befindlichen Ausgleichs- und/oder Haftvermittlerschicht und einem andererseits vorgelagerten reflexionserhöhenden Dreckschichtsystem und/oder einer Schutzschicht angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß die reflektierende Schichtsubstanz aus einem Schichtensystem, bestehend aus einer alternierenden, Folge von stark reflektierenden Metallschichten und schwach reflektierenden, transparenten Nichtmetallschichten, aufgebaut ist, daß dieses Schichtensystem aus mindestens 5 Schichten besteht und daß die Schichtdicke der einzelnen Metall- und Nichtmetallschichten kleiner als der fünfzigste Teil der größten zu reflektierenden Wellenlänge der Strahlung ist.
2. 2. Metallschichtreflektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Schichtensystem beidseitig durch jeweils eine Nichtmetallschicht abgeschlossen ist.
3. 3. Metallschichtreflektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Transparenz der Nichtmetallschichten kleiner als zehn Prozent der eingestrahlten Intensität ist.
4. 4. Metallschichtreflektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Metallschichten aus Gold oder Silber oder Kupfer oder Molybdän oder Aluminium oder einem Metall der Platingruppe oder Legierungen dieser Metalle bestehen und die Nichtmetallschichten aus Fluoriden oder Oxiden oder Sulfiden oder Telluriden oder Germanium oder Silizium oder transparentem Kohlenstoff (i-C) oderChalkogenidglas bestehen.
5. 5. Metallschichtreflektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Träger aus Glas oder Halbleitermaterial oder Metall besteht.
6. 6. Metallschichtreflektor nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß bei Verwendung von Glas als Trägermaterial eine Haftvermittlerschicht aus Chrom oder Chrom-Nickel oder Oxiden zwischen dem Träger und dem Schichtensystem aus Metall- und Nichtmetallschichten angeordnet ist.
7. 7. Metallschichtreflektor nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Verwendung von Halbleitermaterial als Trägersubstanz und transparentem Kohlenstoff (i-C) als Nichtmetallschicht die trägerseitig erste Schicht des Schichtensystems aus Metall- und Nichtmetallschichten gleichzeitig die Haftvermittlerschicht darstellt.