DE102019122451B4 - Process for producing a porous silicon oxide layer - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer porösen Siliziumoxidschicht (2A), umfassend die Schritte- A) Abscheiden einer Siliziumoxidschicht (2),- B) Aufbringen einer wasserunlöslichen und wasserdurchlässigen Schicht (3) auf die Siliziumoxidschicht (2), und- C) Erzeugen von Poren in der Siliziumoxidschicht (2) mittels einer Temperaturbehandlung in einem Wasserbad.A method for producing a porous silicon oxide layer (2A), comprising the steps of A) depositing a silicon oxide layer (2), B) applying a water-insoluble and water-permeable layer (3) to the silicon oxide layer (2), and C) creating pores in the silicon oxide layer (2) by means of a heat treatment in a water bath.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Siliziumoxidschicht, die sich insbesondere durch einen verminderten Brechungsindex auszeichnet. Die poröse Siliziumoxidschicht kann insbesondere als reflexionsmindernde Schicht oder als Bestandteil einer reflexionsmindernden Schichtenfolge vorgesehen sein.The invention relates to a method for producing a porous silicon oxide layer which is characterized in particular by a reduced refractive index. The porous silicon oxide layer can be provided in particular as a reflection-reducing layer or as part of a reflection-reducing layer sequence.
Zur Entspiegelung von Oberflächen werden üblicherweise reflexionsmindernde Interferenzschichtsysteme verwendet, die mehrere alternierende Schichten aus hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialien enthalten. Als Material mit einer besonders niedrigen Brechzahl im sichtbaren Spektralbereich wird häufig MgF2 mit n = 1,38 eingesetzt. Die reflexionsmindernde Wirkung herkömmlicher dielektrischer Schichtsysteme könnte verbessert werden, wenn Materialien mit geringerer Brechzahl zur Verfügung stehen würden.For the antireflection coating of surfaces, reflection-reducing interference layer systems are usually used, which contain several alternating layers of high-index and low-index materials. MgF 2 with n=1.38 is often used as a material with a particularly low refractive index in the visible spectral range. The reflection-reducing effect of conventional dielectric layer systems could be improved if materials with a lower refractive index were available.
In der Druckschrift
Aus der Druckschrift G. B. Alexander, W. M. Heston and R. K. Iler, „THE SOLUBILITY OF AMORPHOUS SILICA IN WATER“, Journal of Physical Chemistry 58 (6), 1954, 453-455, ist bekannt, dass sich Siliziumoxid in Wasser lösen lässt, wobei die Löslichkeit von Siliziumoxid in Wasser insbesondere von der Temperatur und dem pH-Wert des Wasserbads abhängig ist. Die Teilauflösung führt zu einer Porenbildung in dem Siliziumoxid. Allerdings lässt sich der Auflösungsvorgang bisher kaum kontrollieren. Durch Behandlungen in Wasser werden größere Materialmengen aus der Oberfläche zufällig entfernt. Die Schichtdicke verändert sich unkontrolliert und die Schicht wird uneben. Es ist bisher somit keine genaue Einstellung der Schichteigenschaften möglich, die aber für technische Verwendung der Schicht, insbesondere als optische Interferenzschicht, von wesentlicher Bedeutung ist.From the publication G. B. Alexander, W. M. Heston and R. K. Iler, "THE SOLUBILITY OF AMORPHOUS SILICA IN WATER", Journal of Physical Chemistry 58 (6), 1954, 453-455, it is known that silicon oxide can be dissolved in water, the Solubility of silicon oxide in water depends in particular on the temperature and pH of the water bath. The partial dissolution leads to pore formation in the silicon oxide. However, the dissolution process has so far been difficult to control. Treatments in water randomly remove larger amounts of material from the surface. The layer thickness changes uncontrollably and the layer becomes uneven. So far it has not been possible to set the layer properties precisely, but this is of essential importance for the technical use of the layer, in particular as an optical interference layer.
In der Druckschrift
Die Druckschrift
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht anzugeben, mit dem insbesondere eine poröse Schicht mit vermindertem Brechungsindex herstellbar ist.One problem to be solved is to specify an improved method for producing a porous layer, with which, in particular, a porous layer with a reduced refractive index can be produced.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Siliziumoxidschicht gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method for producing a porous silicon oxide layer according to the independent patent claim. Advantageous refinements and developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird in einem Schritt A) eine Siliziumoxidschicht, insbesondere eine SiO2-Schicht, abgeschieden. Die Siliziumoxidschicht kann auf ein Substrat, insbesondere auf ein Glassubstrat, oder auf eine bereits auf einem Substrat abgeschiedene Schicht oder Schichtenfolge abgeschieden werden. In einem weiteren Schritt B) des Verfahrens wird eine wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht auf die Siliziumoxidschicht aufgebracht. Die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht weist insbesondere ein von einem Siliziumoxid verschiedenes Material auf, das sich in einem Wasserbad nicht auflöst, aber für Wasser durchlässig ist. In einem nachfolgenden Schritt C) des Verfahrens werden Poren in der Siliziumoxidschicht mittels einer Temperaturbehandlung in einem Wasserbad erzeugt und auf diese Weise die poröse Siliziumoxidschicht hergestellt. Bei der Temperaturbehandlung in dem Wasserbad kann Wasser durch die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht in die darunter liegende Siliziumoxidschicht eindringen und das Siliziumoxid teilweise herauslösen, so dass die Poren entstehen.According to at least one embodiment of the method, a silicon oxide layer, in particular an SiO 2 layer, is deposited in a step A). The silicon oxide layer can be deposited on a substrate, in particular on a glass substrate, or on a layer or layer sequence already deposited on a substrate. In a further step B) of the method, a water-insoluble and water-permeable layer is applied to the silicon oxide layer. In particular, the water-insoluble and water-permeable layer comprises a material other than silicon oxide which does not dissolve in a water bath but is permeable to water. In a subsequent step C) of the method, pores are produced in the silicon oxide layer by means of a temperature treatment in a water bath, and the porous silicon oxide layer is produced in this way. During the temperature treatment in the water bath, water can penetrate through the water-insoluble and water-permeable layer into the underlying silicon oxide layer and partially dissolve the silicon oxide, resulting in pores.
Das Verfahren beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass sich der Prozess der Porenbildung in der Siliziumoxidschicht durch das Aufbringen der wasserunlöslichen und wasserdurchlässigen Schicht kontrollieren lässt. Insbesondere wird durch die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht vermieden, dass sich die Siliziumoxidschicht im Waser schnell auflöst und uneben wird. Vorzugsweise ist die Siliziumoxidschicht nach der Temperaturbehandlung im Wasserbad maximal 10% dünner als vor der Behandlung. Weiterhin weist die poröse Siliziumoxidschicht vorzugsweise eine rms-Rauheit von weniger als 20 nm auf.The method is based in particular on the finding that the process of pore formation in the silicon oxide layer can be controlled by applying the water-insoluble and water-permeable layer. In particular, the water-insoluble and water-permeable layer prevents the silicon oxide layer from quickly dissolving in water and becoming uneven. After the temperature treatment in the water bath, the silicon oxide layer is preferably at most 10% thinner than before the treatment. Furthermore, the porous silicon oxide layer preferably has an rms roughness of less than 20 nm.
Die mit dem Verfahren herstellbare poröse Siliziumoxidschicht zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Brechungsindex im Vergleich zu einer nicht porösen Siliziumoxidschicht, insbesondere SiO2-Schicht, aufgrund der Poren vermindert ist. Die poröse Siliziumoxidschicht kann vorteilhaft mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand, insbesondere durch ein Beschichtungsverfahren ohne schräges Aufdampfen und ohne einen Ätzprozess hergestellt werden. Die poröse Siliziumoxidschicht kann mit dem Verfahren umweltfreundlich, kostengünstig und schnell hergestellt werden. Die poröse Siliziumoxidschicht zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Stabilität gegenüber Laserstrahlung und durch eine hohe Transparenz im UV-Bereich aus. Weiterhin entstehen durch die Poren nur geringen Streuverluste, insbesondere wenn die Poren im Mittel eine Porengröße von weniger als 50 nm aufweisen.The porous silicon oxide layer that can be produced using the method is characterized in particular by the fact that the refractive index is reduced in comparison to a non-porous silicon oxide layer, in particular an SiO 2 layer, due to the pores. The porous silicon oxide layer can advantageously be produced with comparatively little production effort, in particular by a coating method without oblique vapor deposition and without an etching process. The porous silicon oxide layer can be environmentally friendly with the method, can be produced quickly and inexpensively. The porous silicon oxide layer is characterized in particular by high stability with respect to laser radiation and high transparency in the UV range. Furthermore, the pores cause only minor scattering losses, in particular if the pores have an average pore size of less than 50 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wasserbad bei der Temperaturbehandlung eine Temperatur zwischen 70 °C und 100 °C, bevorzugt zwischen 80 °C und 95 °C, auf. Es hat sich herausgestellt, dass die Löslichkeit von Siliziumoxid in Wasser insbesondere von der Temperatur und dem pH-Wert des Wasserbads abhängig ist. Bei einer Temperaturbehandlung im Wasserbad in diesem Temperaturbereich kann effizient eine Porenbildung in der Siliziumoxidschicht bewirkt werden. Die Dauer der Temperaturbehandlung beträgt vorzugsweise weniger als 10 Minuten, besonders bevorzugt weniger als 4 Minuten. Die Dauer der Temperaturbehandlung kann beispielsweise zwischen 2 min und 10 min betragen.According to at least one embodiment, the water bath has a temperature of between 70° C. and 100° C., preferably between 80° C. and 95° C., during the temperature treatment. It has been found that the solubility of silicon oxide in water depends in particular on the temperature and pH of the water bath. A temperature treatment in a water bath in this temperature range can efficiently cause pore formation in the silicon oxide layer. The duration of the temperature treatment is preferably less than 10 minutes, particularly preferably less than 4 minutes. The duration of the temperature treatment can be between 2 minutes and 10 minutes, for example.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wasserbad einen pH-Wert zwischen 7 und 10 auf. Ein pH-Wert in diesem Bereich ist vorteilhaft für die Porenbildung in der Siliziumoxidschicht. Der pH-Wert des Wasserbads kann durch einen geeigneten Puffer, beispielsweise einen Natriumhydrogencarbonat-Puffer, gezielt eingestellt werden. According to at least one embodiment, the water bath has a pH between 7 and 10. A pH in this range is advantageous for the formation of pores in the silicon oxide layer. The pH of the water bath can be specifically adjusted using a suitable buffer, for example a sodium bicarbonate buffer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht TiO2, Ta2O5, HfO2 oder Al2O3 auf. Diese Materialien lösen sich bei der Temperaturbehandlung im Wasserbad nicht auf, so dass sie eine teildurchlässige Barriere für Wasser bilden, die dafür sorgt, dass sich die Siliziumoxidschicht nicht unmittelbar auflöst. Andererseits können diese Materialien ausreichend von Wasser durchdrungen werden, so dass das durchgelassene Wasser die Porenbildung in der Siliziumoxidschicht bewirkt. Dies ist dann der Fall, wenn die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht eine sehr dünne Schicht ist.According to at least one embodiment, the water-insoluble and water-permeable layer has TiO 2 , Ta 2 O 5 , HfO 2 or Al 2 O 3 . These materials do not dissolve during the temperature treatment in the water bath, so they form a partially permeable barrier for water, which ensures that the silicon oxide layer does not dissolve immediately. On the other hand, these materials can be sufficiently permeated by water that the permeated water causes pore formation in the silicon oxide layer. This is the case when the water-insoluble and water-permeable layer is a very thin layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht eine Dicke zwischen 0,3 nm und 3 nm auf. In diesem Dickenbereich kann bei der Temperaturbehandlung im Wasserbad so viel Wasser die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht durchdringen, dass die gewünschte Porenbildung effektiv erfolgt.In accordance with at least one embodiment, the water-insoluble and water-permeable layer has a thickness of between 0.3 nm and 3 nm. In this thickness range, so much water can penetrate the water-insoluble and water-permeable layer during the temperature treatment in the water bath that the desired pore formation takes place effectively.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Siliziumoxidschicht vor der Temperaturbehandlung eine Dichte zwischen 2,23 g/cm3 und 2,33 g/cm3 auf. Es hat sich herausgestellt, dass die Eigenschaft der Siliziumoxidschicht, sich unter Ausbildung von Poren in Wasser teilweise aufzulösen, insbesondere von der Dichte der Siliziumoxidschicht abhängt. Siliziumoxidschichten, die nach der Herstellung eine Dichte von weniger als 2,23 g/cm3 aufweisen, lösen sich sehr schnell komplett in Wasser auf, während Siliziumoxidschichten, die nach der Herstellung eine Dichte von mehr als 2,33 g/cm3 aufweisen, kaum oder keine Porenbildung zeigen. Das Ziel einer porösen Siliziumoxidschicht kann besonders gut bei einer Dichte, die nach der Herstellung zwischen 2,23 g/cm3 und 2,33 g/cm3 beträgt, erreicht werden. Die Ausgangsdichte der Siliziumoxidschicht kann durch das Herstellungsverfahren beeinflusst werden. Geeignete Herstellungsverfahren sind insbesondere ionengestütztes Aufdampfen, Elektronenstrahlverdampfung, Sputtern und Atomlagenabscheidung.In accordance with at least one embodiment, the silicon oxide layer has a density of between 2.23 g/cm 3 and 2.33 g/cm 3 before the heat treatment. It has been found that the property of the silicon oxide layer to partially dissolve in water with the formation of pores depends in particular on the density of the silicon oxide layer. Silicon oxide layers that have a density of less than 2.23 g/cm 3 after production dissolve completely in water very quickly, while silicon oxide layers that have a density of more than 2.33 g/cm 3 after production show little or no pore formation. The goal of a porous silicon oxide layer can be achieved particularly well with a density that is between 2.23 g/cm 3 and 2.33 g/cm 3 after production. The initial density of the silicon oxide layer can be influenced by the manufacturing process. Suitable manufacturing processes are, in particular, ion-assisted evaporation, electron beam evaporation, sputtering and atomic layer deposition.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Siliziumoxidschicht durch ein ionengestütztes Beschichtungsverfahren, beispielsweise durch ionengestütztes Aufdampfen, abgeschieden. Bei dem ionengestützten Beschichtungsverfahren betragen die Ionenenergien während der Abscheidung der Siliziumoxidschicht vorzugsweise zwischen 80 eV und 120 eV. Die Ionenenergie kann durch eine geeignete Beschleunigungsspannung (BIAS-Spannung) eingestellt werden. Durch die Ionenenergie bei dem ionengestützten Beschichtungsverfahren kann insbesondere die Dichte der abgeschiedenen Siliziumoxidschicht beeinflusst werden. Es hat sich herausgestellt, dass mit einer Ionenenergie im Bereich von 80 eV bis 120 eV Siliziumoxidschichten mit der bevorzugten Dichte zwischen 2,23 g/cm3 und 2,33 g/cm3 hergestellt werden können.In accordance with at least one embodiment, the silicon oxide layer is deposited by an ion-assisted coating method, for example by ion-assisted vapor deposition. In the ion-assisted coating process, the ion energies during the deposition of the silicon oxide layer are preferably between 80 eV and 120 eV. The ion energy can be adjusted by a suitable acceleration voltage (BIAS voltage). In particular, the density of the deposited silicon oxide layer can be influenced by the ion energy in the ion-assisted coating process. It has been found that silicon oxide layers with the preferred density between 2.23 g/cm 3 and 2.33 g/cm 3 can be produced with an ion energy in the range from 80 eV to 120 eV.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die poröse Siliziumoxidschicht einen effektiven Brechungsindex neff im Bereich 1,05 ≤ neff ≤ 1,38 auf, bevorzugt im Bereich 1,11 ≤ neff ≤ 1,30. Der effektive Brechungsindex ist der über die Schicht gemittelte Brechungsindex, der aufgrund der Poren geringer ist als der Brechungsindex des Bulk-Materials, der etwa n = 1,46 beträgt. Die poröse Siliziumoxidschicht wirkt optisch als effektives Medium, dass aufgrund der Beimischung von Luft mit einem Brechungsindex von etwa n = 1 einen sehr niedrigen Brechungsindex aufweisen kann, der mit herkömmlichen Schichten nicht ohne weiteres erzielt werden kann. Der effektive Brechungsindex hängt vom Anteil der Poren in dem Siliziumoxid ab und kann durch den Anteil der Poren gezielt eingestellt werden. Ein geringer effektiver Brechungsindex im Bereich 1,05 ≤ neff ≤ 1,38 ist vorteilhaft, wenn die poröse Siliziumoxidschicht eine reflexionsmindernde Schicht oder Bestandteil eines reflexionsmindernden Schichtsystems ist.In accordance with at least one embodiment, the porous silicon oxide layer has an effective refractive index neff in the range 1.05≦neff≦1.38, preferably in the range 1.11≦neff≦1.30. The effective index of refraction is the index of refraction averaged over the layer, which due to the pores is lower than the index of refraction of the bulk material, which is approximately n=1.46. The porous silicon oxide layer acts optically as an effective medium that, due to the admixture of air with a refractive index of about n=1, can have a very low refractive index that cannot be easily achieved with conventional layers. The effective refractive index depends on the proportion of pores in the silicon oxide and can be specifically adjusted by the proportion of pores. A low effective refractive index in the range 1.05≦neff≦1.38 is advantageous if the porous silicon oxide layer is a reflection-reducing layer or part of a reflection-reducing layer system.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren über der porösen Siliziumoxidschicht mindestens eine weitere poröse Siliziumoxidschicht erzeugt, indem die Schritte A) bis C) mindestens einmal wiederholt werden. Es ist auch möglich, dass die Schritte A) bis C) mehrfach wiederholt werden, um beispielsweise drei oder vier oder noch mehr poröse Siliziumoxidschichten übereinander anzuordnen. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens können insbesondere zwei oder mehr poröse Siliziumoxidschichten übereinander angeordnet werden, die sich in ihrer Porösität und somit in ihren effektiven Brechungsindizes voneinander unterscheiden. Bei einer bevorzugten Variante weist die weitere poröse Siliziumoxidschicht einen geringeren effektiven Brechungsindex auf als die darunterliegende poröse Siliziumoxidschicht. Mit dem Verfahren können insbesondere mehrere übereinander angeordnete poröse Siliziumoxidschichten hergestellt werden, deren effektiver Brechungsindex ausgehend von einem Substrat stufenweise abnimmt. Auf diese Weise kann ein Schichtsystem mit einem Brechungsindexgradienten realisiert werden.According to at least one embodiment, in the method above the porous silicon oxide layer produces at least one further porous silicon oxide layer by repeating steps A) to C) at least once. It is also possible for steps A) to C) to be repeated several times in order, for example, to arrange three or four or even more porous silicon oxide layers one on top of the other. In this embodiment of the method, in particular, two or more porous silicon oxide layers can be arranged one on top of the other, which differ from one another in their porosity and thus in their effective refractive indices. In a preferred variant, the additional porous silicon oxide layer has a lower effective refractive index than the underlying porous silicon oxide layer. In particular, the method can be used to produce a plurality of porous silicon oxide layers arranged one on top of the other, the effective refractive index of which decreases in steps starting from a substrate. In this way, a layer system with a refractive index gradient can be realized.
Bei dem Verfahren kann die Siliziumoxidschicht auf ein Substrat oder auf eine auf einem Substrat angeordnete Schicht oder Schichtenfolge aufgebracht werden. Beispielsweise wird die Siliziumoxidschicht direkt auf ein Substrat aufgebracht und bei dem Verfahren in eine poröse Siliziumoxidschicht umgewandelt. Die poröse Siliziumoxidschicht kann in diesem Fall aufgrund ihres vergleichsweise niedrigen Brechungsindex als reflexionsmindernde Schicht für das Substrat fungieren. Es ist auch möglich, dass zunächst eine Schicht oder eine Schichtenfolge auf das Substrat aufgebracht wird, wobei die poröse Siliziumoxidschicht beispielsweise als Deckschicht auf die Schicht oder Schichtenfolge aufgebracht wird. Beispielsweise wird ein dielektrisches Interferenzschichtsystem aus abwechselnden Schichten mit niedrigerem und höherem Brechungsindex auf das Substrat aufgebracht und nachfolgend die poröse Siliziumoxidschicht als Deckschicht. Das dielektrische Interferenzschichtsystem kann diesem Fall insbesondere eine reflexionsmindernde Schichtenfolge sein, deren reflexionsmindernde Wirkung durch die poröse Siliziumoxidschicht als Deckschicht weiter verbessert werden kann. Bei der Anwendung der porösen Siliziumoxidschicht als reflexionsmindernde Schicht oder Bestandteil einer reflexionsmindernden Schichtenfolge kann vorteilhaft eine breitbandige und im Wesentlichen winkelunabhängige Einspielung erzielt werden.In the method, the silicon oxide layer can be applied to a substrate or to a layer or layer sequence arranged on a substrate. For example, the silicon oxide layer is applied directly to a substrate and converted into a porous silicon oxide layer in the process. In this case, the porous silicon oxide layer can function as a reflection-reducing layer for the substrate due to its comparatively low refractive index. It is also possible for a layer or a sequence of layers to be applied to the substrate first, with the porous silicon oxide layer being applied to the layer or sequence of layers, for example as a covering layer. For example, a dielectric interference layer system consisting of alternating layers with a lower and higher refractive index is applied to the substrate, followed by the porous silicon oxide layer as the top layer. In this case, the dielectric interference layer system can in particular be a reflection-reducing layer sequence, the reflection-reducing effect of which can be further improved by the porous silicon oxide layer as the cover layer. When using the porous silicon oxide layer as a reflection-reducing layer or as part of a reflection-reducing layer sequence, a broadband and essentially angle-independent recording can advantageously be achieved.
Weiterhin ist es mit dem Verfahren möglich, Wechselschichtsysteme aus abwechselnden Siliziumoxidschichten höherer Dichte und niedrigerer Dichte herzustellen. Die Siliziumoxidschichten niedrigerer Dichte werden in diesem Fall jeweils durch die Temperaturbehandlung in dem Wasserbad erzeugt. Die Siliziumoxidschichten höherer Dichte können durch ein herkömmliches Beschichtungsverfahren ohne die Temperaturbehandlung gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren erzeugt werden. Ein auf diese Weise erzeugtes Wechselschichtsystem kann insgesamt eine reflexionsmindernde Schichtenfolge ausbilden. Ein solches Wechselschichtsystem, das vorzugsweise abgesehen von den dünnen wasserdurchlässigen und wasserunlöslichen Schichten keine anderen Materialien als Siliziumoxid aufweist, zeichnet sich vorteilhaft durch eine hohe Laserstabilität sowie hohe Transparenz im UV-Spektralbereich aus.Furthermore, it is possible with the method to produce alternating layer systems from alternating silicon oxide layers of higher density and lower density. In this case, the silicon oxide layers of lower density are each produced by the temperature treatment in the water bath. The higher density silicon oxide layers can be produced by a conventional coating method without the thermal treatment according to the method described herein. An alternating layer system produced in this way can form a reflection-reducing layer sequence overall. Such an alternating layer system, which apart from the thin water-permeable and water-insoluble layers preferably has no other materials than silicon oxide, is advantageously characterized by high laser stability and high transparency in the UV spectral range.
Bei einer Variante des Verfahrens kann über der porösen Siliziumoxidschicht eine Schutzschicht aufgebracht werden. Die Schutzschicht ist vorzugsweise eine dichte Siliziumoxidschicht, die nicht im Wasserbad behandelt wird. Alternativ kann als Schutzschicht beispielsweise eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht werden. Die Schutzschicht ist vorzugsweise weniger als 20 nm, besonders bevorzugt weniger als 10 nm dick.In a variant of the method, a protective layer can be applied over the porous silicon oxide layer. The protective layer is preferably a dense layer of silicon oxide which is not treated in a water bath. Alternatively, an aluminum oxide layer, for example, can be applied as a protective layer. The protective layer is preferably less than 20 nm thick, particularly preferably less than 10 nm thick.
Das Substrat ist bei dem Verfahren bevorzugt ein Glas, insbesondere Quarzglas. Das Substrat kann insbesondere ein optisches Element sein, beispielsweise eine Linse. Durch Herstellen der porösen Siliziumoxidschicht oder einer Schichtenfolge mit der porösen Siliziumoxidschicht kann das optische Element insbesondere entspiegelt werden.In the method, the substrate is preferably a glass, in particular quartz glass. The substrate can in particular be an optical element, for example a lens. By producing the porous silicon oxide layer or a layer sequence with the porous silicon oxide layer, the optical element can in particular be antireflective.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den
Es zeigen:
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1A bis1C eine schematische Darstellung eines Beispiels des Verfahrens anhand von Zwischenschritten, -
2 eine grafische Darstellung der Absorption A in Abhängigkeit von der Wellenzahl v bei einem Beispiel der Siliziumoxidschicht, -
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Beispiel eines mit dem Verfahren herstellbaren Schichtsystems, -
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Beispiel eines mit dem Verfahren herstellbaren Schichtsystems, und -
5 eine grafische Darstellung der Reflexion R in Abhängigkeit von der Wellenlänge A des Schichtsystems beidem Beispiel der 4 .
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1A until1C a schematic representation of an example of the method based on intermediate steps, -
2 a graphical representation of the absorption A as a function of the wave number v for an example of the silicon oxide layer, -
3 a schematic representation of a cross section through an example of a layer system that can be produced with the method, -
4 a schematic representation of a cross section through a further example of a layer system that can be produced with the method, and -
5 a graphical representation of the reflection R as a function of the wavelength A of the layer system in the example of FIG4 .
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.Components that are the same or have the same effect are each provided with the same reference symbols in the figures. The components shown and the proportions of the components among themselves are not to be regarded as true to scale.
In einem in
Das Abscheiden der Siliziumoxidschicht 2 erfolgt vorzugsweise durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren wie beispielsweise Aufdampfen, insbesondere ionengestütztes Aufdampfen, Elektronenstrahlverdampfung, Sputtern oder Atomlagenabscheidung (ALD). Die Parameter des Beschichtungsverfahrens werden vorzugsweise derart eingestellt, dass die Siliziumoxidschicht 2 nach der Abscheidung eine Dichte zwischen 2,23 g/cm3 und 2,33 g/cm3 aufweist. Dies kann beispielsweise durch Elektronenstrahlverdampfung bei einem Arbeitsdruck < 2*10-4 mbar, einer Beschichtungsrate von 0,1 nm/s bis 0,5 nm/s und einer Temperatur zwischen 25 °C und 60 °C erreicht werden. Alternativ kann die Abscheidung der Siliziumoxidschicht 2 beispielsweise durch ionengestütztes Aufdampfen bei einem Arbeitsdruck von 4,1 bis 4,6 * 10-4 mbar, einer Beschichtungsrate von 0,2 nm/s bis 1 nm/s, einer Temperatur von 25 °C bis 60 °C und Ionenenergien im Bereich von 80 eV bis 120 eV erfolgen.The
Es hat sich herausgestellt, dass bei der Anwendung eines ionengestützten Beschichtungsverfahrens zur Herstellung der Siliziumoxidschicht 2 insbesondere die Ionenenergie die Dichte der Siliziumoxidschicht 2 beeinflusst. Bei den Ionen, die während des ionengestützten Beschichtungsverfahrens in Richtung der aufwachsenden Schicht beschleunigt werden, kann es sich beispielsweise um Sauerstoffionen oder um Edelgasionen wie beispielsweise Argonionen handeln. Durch Einstellung der Ionenenergie im Bereich zwischen 80 eV und 120 eV ist es möglich, eine Siliziumoxidschicht mit der für das Verfahren vorteilhaften Dichte zwischen 2,23 g/cm3 und 2,33 g/cm3 herzustellen. Siliziumoxidschichten mit einer Dichte in diesem Bereich weisen als charakteristisches aber nicht hinreichendes Kriterium physisorbiertes Wasser in schon vorhandenen Poren auf. Dies ist in Infrarot-Absorptionsspektren zu erkennen.It has been found that when an ion-assisted coating process is used to produce the
Beispielhaft ist in
Bezugnehmend auf
Nach dem Aufbringen der dünnen wasserunlöslichen und wasserdurchlässigen Schicht 3 erfolgt eine Temperaturbehandlung des zuvor hergestellten Schichtsystems in einem heißen Wasserbad. Dieser Schritt ist schematisch in
Die auf diese Weise hergestellte poröse Siliziumoxidschicht 2A zeichnet sich insbesondere durch eine niedrigen effektiven Brechungsindex aus, für den bevorzugt 1,05 ≤ neff ≤ 1,38 und besonders bevorzugt 1,11 ≤ neff ≤ 1,30 gilt.The porous
In
Bei einer weiteren Variante des Verfahrens wird ein Schichtsystem hergestellt, dass abwechselnd auf herkömmliche Weise hergestellte Siliziumoxidschichten und poröse Siliziumoxidschichten aufweist. Ein Beispiel eines mit dem Verfahren herstellbaren Schichtsystems ist in
Ein solches Wechselschichtsystem aus abwechselnden Siliziumoxidschichten 21, 22, 23 mit herkömmlicher Dichte und porösen Siliziumoxidschichten 2A, 2B ist insbesondere dazu geeignet, eine Entspiegelung über einen weiten Wellenlängen- und Einfallswinkelbereich zu erzielen. Zur Verdeutlichung ist in
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.The invention is not limited by the description based on the exemplary embodiments.
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DE102006001078A1 (en) | 2005-01-07 | 2006-07-20 | Pentax Corp. | Anti-reflective coating and optical element for image sensors |
JP2009168852A (en) | 2008-01-10 | 2009-07-30 | Hoya Corp | Antireflection coating and optical member with the same, interchangeable lens, and imaging device |
WO2015110546A1 (en) | 2014-01-23 | 2015-07-30 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for producing a reflection-reducing layer system, and a reflection-reducing layer system |
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