DE102020101041A1 - Mirror and procedure for its renewal - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Spiegel (10) beschrieben, umfassend ein Substrat (1), eine Silberschicht (2) und eine auf der Silberschicht (3) angeordnete Haftschicht (3), wobei die Haftschicht (3) ein Aluminiumoxid aufweist. Weiterhin umfasst der Spiegel einen auf der Haftschicht (3) angeordneten Schichtstapel (4), der mindestens eine erste Aluminiumoxynitridschicht (41, 43) und mindestens eine zweite Aluminiumoxynitridschicht (42) aufweist, wobei die erste Aluminiumoxynitridschicht (41, 43) einen Brechungsindex n1aufweist die zweite Aluminiumoxynitridschicht (42) einen Brechungsindex n2< n1aufweist. Es wird weiterhin ein Verfahren zur Erneuerung des Spiegels (10) angegeben.A mirror (10) is described, comprising a substrate (1), a silver layer (2) and an adhesive layer (3) arranged on the silver layer (3), the adhesive layer (3) comprising an aluminum oxide. Furthermore, the mirror comprises a layer stack (4) arranged on the adhesive layer (3) which has at least one first aluminum oxynitride layer (41, 43) and at least one second aluminum oxynitride layer (42), the first aluminum oxynitride layer (41, 43) having a refractive index n1 second aluminum oxynitride layer (42) has an index of refraction n2 <n1. A method for renewing the mirror (10) is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft einen Spiegel, der insbesondere für Anwendungen in der Präzisionsoptik vorgesehen ist, und ein Verfahren zur Erneuerung des Spiegels.The invention relates to a mirror which is intended in particular for applications in precision optics, and to a method for renewing the mirror.
Zahlreiche Anwendungen präzisionsoptischer Komponenten verlangen optische Elemente mit einer Spiegelschicht, die in einem möglichst breiten Spektralbereich hochreflektierend ist. Beispiele sind Anwendungen in der terrestrischen und satellitengestützten Astronomie und Erdbeobachtung. Metalle weisen ein hohes Reflexionsvermögen in einem breiten Spektralbereich auf.Numerous applications of precision optical components require optical elements with a mirror layer that is highly reflective in the broadest possible spectral range. Examples are applications in terrestrial and satellite-based astronomy and earth observation. Metals have a high reflectivity in a wide spectral range.
Für Spiegel werden je nach Spektralbereich i.d.R. Gold, Aluminium oder Silber genutzt. Gold ist sehr reaktionsträge und Aluminium bildet schnell eine dünne passivierende Aluminium-Oxidschicht aus. Beides sind gute Voraussetzungen für beständig hohe Reflexionsgrade. Silber ist hingegen anfällig gegen Korrosion, insbesondere gegenüber H2S aus der Umgebungsluft. Andererseits weist von den Metallen Silber vom sichtbaren bis in den infraroten Spektralbereich das höchste Reflexionsvermögen auf. Daher werden Spiegel trotz der Korrosionsanfälligkeit zunehmend mit Silber beschichtet und mit einer zusätzlichen Schutzschicht abgedeckt. Während für Aluminium und Gold auch Anwendungen ohne aufgebrachte Schutzschichten existieren, werden Silberspiegel praktisch immer mit einer Schutzschicht versehen.For mirrors, gold, aluminum or silver are generally used, depending on the spectral range. Gold is very inert and aluminum quickly forms a thin passivating aluminum oxide layer. Both are good prerequisites for consistently high levels of reflection. Silver, on the other hand, is susceptible to corrosion, in particular to H 2 S from the ambient air. On the other hand, of the metals, silver has the highest reflectivity from the visible to the infrared spectral range. Therefore, despite their susceptibility to corrosion, mirrors are increasingly being coated with silver and covered with an additional protective layer. While there are also applications for aluminum and gold without an applied protective layer, silver mirrors are practically always provided with a protective layer.
Besonders anspruchsvoll ist die Herstellung von geschützten Silberspiegeln bei Vorderseitenspiegeln, die in einem breiten Spektralbereich maximale Reflektivität aufweisen sollen, da die Schutzschichten die optische Funktion der Schichten beeinflussen. Es kommen bestimmte, dielektrische Materialien für die Schutzschicht zum Einsatz, um die negative Beeinflussung des Reflexionsgrades so gering wie möglich zu halten. Aus der Druckschrift
Die bisherigen Ansätze zum Schutz von Spiegeln mit einer Silberschicht verfolgen eine maximale Lebensdauer des geschützten Spiegels. Aufgrund der angestrebten Beständigkeit und der Materialkombination ist ein nasschemisches Entfernen des Reflektorschichtsystems in der Regel nicht oder nur mit Flusssäure möglich. Flusssäure ist allerdings sehr gesundheitsgefährdend und deshalb aus arbeitsschutztechnischen Gründen nur sehr schwierig zu handhaben.The previous approaches to protecting mirrors with a silver layer pursued a maximum service life of the protected mirror. Due to the desired resistance and the combination of materials, wet-chemical removal of the reflector layer system is usually not possible or only possible with hydrofluoric acid. However, hydrofluoric acid is very dangerous to health and therefore very difficult to handle for health and safety reasons.
Eine zu lösende Aufgabe besteht somit darin, einen verbesserten Spiegel mit einer Silberschicht anzugeben, der sich durch eine hohe Reflexion, eine gute Beständigkeit und insbesondere eine Möglichkeit zur Erneuerung mit verhältnismäßig geringem Aufwand auszeichnet. Weiterhin soll ein Verfahren zur Erneuerung des Spiegels angegeben werden.One object to be achieved is thus to provide an improved mirror with a silver layer which is characterized by high reflection, good resistance and, in particular, the possibility of renewal with relatively little effort. Furthermore, a method for renewing the mirror should be specified.
Diese Aufgaben werden durch einen Spiegel und ein Verfahren zu dessen Erneuerung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These objects are achieved by a mirror and a method for its renewal according to the independent patent claims. Advantageous refinements and developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Spiegel ein Substrat und eine auf dem Substrat angeordnete Silberschicht. In accordance with at least one embodiment, the mirror comprises a substrate and a silver layer arranged on the substrate.
Es ist nicht ausgeschlossen, dass zwischen dem Substrat und der Silberschicht mindestens eine weitere Schicht angeordnet ist, beispielsweise eine Haftschicht. Das Substrat kann ein ebenes Substrat oder ein gekrümmtes Substrat sein. Die Silberschicht dient bei dem Spiegel als Reflektorschicht. Silber zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Reflektivität im gesamten sichtbaren Spektralbereich aus.It is not excluded that at least one further layer, for example an adhesive layer, is arranged between the substrate and the silver layer. The substrate can be a planar substrate or a curved substrate. The silver layer serves as a reflector layer in the mirror. Silver is characterized in particular by a high reflectivity in the entire visible spectral range.
Auf der Silberschicht ist bei dem Spiegel eine Haftschicht angeordnet, die ein Aluminiumoxid, insbesondere A12O3, aufweist oder daraus besteht. Die Haftschicht ist insbesondere direkt auf der Silberschicht angeordnet. Die Haftschicht ist dazu vorgesehen, die Haftung eines Schichtstapels auf der Silberschicht zu verbessern.On the silver layer at the mirror, an adhesive layer is arranged which has or consists of an aluminum oxide, in particular A1 2 O 3. In particular, the adhesive layer is arranged directly on the silver layer. The adhesive layer is intended to improve the adhesion of a stack of layers to the silver layer.
Auf der Haftschicht, insbesondere direkt auf der Haftschicht, ist bei dem Spiegel ein Schichtstapel angeordnet, der mindestens eine erste Aluminiumoxynitridschicht und mindestens eine zweite Aluminiumoxynitridschicht aufweist. Die mindestens eine erste Aluminiumoxynitridschicht weist einen Brechungsindex n1 und die mindestens eine zweite Aluminiumoxynitridschicht einem Brechungsindex n2 auf, wobei n2 < n1 ist. Die mindestens eine erste Aluminiumoxynitridschicht weist also einen höheren Brechungsindex auf als die mindestens eine zweite Aluminiumoxynitridschicht. Die mindestens eine erste Aluminiumoxynitridschicht ist anders ausgedrückt eine hochbrechende Schicht und die zweite Aluminiumoxynitridschicht eine niedrigbrechende Schicht. Bevorzugt ist im sichtbaren Spektralbereich n1 > 1,8 und n2 < 1,8.A layer stack, which has at least one first aluminum oxynitride layer and at least one second aluminum oxynitride layer, is arranged in the mirror on the adhesive layer, in particular directly on the adhesive layer. The at least one first aluminum oxynitride layer has a refractive index n 1 and the at least one second aluminum oxynitride layer has a refractive index n 2 , where n 2 <n 1 . The at least one first aluminum oxynitride layer thus has a higher refractive index than the at least one second aluminum oxynitride layer. In other words, the at least one first aluminum oxynitride layer is a high refractive index layer and the second aluminum oxynitride layer is a low refractive index layer. Preference is given to n 1 > 1.8 and n 2 <1.8 in the visible spectral range.
Der Schichtstapel kann eine oder mehrere der ersten Aluminiumoxynitridschichten und eine oder mehrere der zweiten Aluminiumoxynitridschichten aufweisen. Beispielsweise kann der Schichtstapel aus drei Aluminiumoxynitridschichten bestehen, wobei eine zweite Aluminiumoxynitridschicht mit dem niedrigeren Brechungsindex n2 zwischen zwei ersten Aluminiumoxynitridschichten mit dem höheren Brechungsindex n1 angeordnet ist. Es ist möglich, dass der Schichtstapel mehr als drei Aluminiumoxynitridschichten aufweist. In diesem Fall sind die ersten Aluminiumoxynitridschichten und die zweiten Aluminiumoxynitridschichten vorteilhaft alternierend in dem Schichtstapel angeordnet. Vorzugsweise ist die oberste Schicht der Schichtstapel eine erste Aluminiumoxynitridschicht mit dem höheren Brechungsindex n1.The layer stack can have one or more of the first aluminum oxynitride layers and one or more of the second aluminum oxynitride layers. For example, the layer stack can consist of three aluminum oxynitride layers, a second aluminum oxynitride layer with the lower refractive index n 2 being arranged between two first aluminum oxynitride layers with the higher refractive index n 1. It is possible that the layer stack has more than three Has aluminum oxynitride layers. In this case, the first aluminum oxynitride layers and the second aluminum oxynitride layers are advantageously arranged alternately in the layer stack. The top layer of the layer stack is preferably a first aluminum oxynitride layer with the higher refractive index n 1 .
Der hier beschriebene Spiegel macht insbesondere von der Idee Gebrauch, dass der die Spiegelschicht schützende Schichtstapel auf vergleichsweise einfache Weise wieder von dem Spiegel entfernt werden kann. Die Aluminiumoxynitridschichten zeichnen sich durch eine hohe Beständigkeit gegen polare Flüssigkeiten aus, sind aber im Vergleich zu bekannten Schutzschichten leichter von dem Spiegel abzulösen. Insbesondere ist es möglich, die Aluminiumoxynitridschichten mit einer Ätzlösung zu entfernen, die keine Flusssäure enthält.The mirror described here makes use in particular of the idea that the layer stack protecting the mirror layer can be removed again from the mirror in a comparatively simple manner. The aluminum oxynitride layers are characterized by a high resistance to polar liquids, but are easier to remove from the mirror in comparison to known protective layers. In particular, it is possible to remove the aluminum oxynitride layers with an etching solution that does not contain hydrofluoric acid.
Die Dicken der Aluminiumoxynitridschichten in dem Schichtstapel sind vorteilhaft derart optimiert, dass bei einer für den Spiegel vorgesehen Wellenlänge oder in einem für den Spiegel vorgesehenen Wellenlängenbereich eine maximale Reflexion erzielt wird. Die bereits hohe Reflexion der Silberschicht kann auf diese Weise noch weiter verstärkt werden. Die hierzu erforderliche Optimierung der einzelnen Schichtdicken hängt von der Wellenlänge oder dem Wellenlängenbereich ab und kann durch dem Fachmann an sich bekannten geeigneten Simulationsprogrammen erfolgen.The thicknesses of the aluminum oxynitride layers in the layer stack are advantageously optimized in such a way that maximum reflection is achieved at a wavelength provided for the mirror or in a wavelength range provided for the mirror. The already high reflection of the silver layer can be further intensified in this way. The optimization of the individual layer thicknesses required for this depends on the wavelength or the wavelength range and can be carried out by suitable simulation programs known per se to the person skilled in the art.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die mindestens eine erste Aluminiumoxynitridschicht einen größeren Stickstoffanteil auf als die mindestens eine zweite Aluminiumoxynitridschicht. Auf diese Weise wird erreicht, dass die erste Aluminiumoxynitridschicht eine größeren Brechungsindex aufweist als die zweite Aluminiumoxynitridschicht. Der Brechungsindex von Aluminiumoxynitrid nimmt mit zunehmenden Stickstoffanteil zu.In accordance with at least one embodiment, the at least one first aluminum oxynitride layer has a greater proportion of nitrogen than the at least one second aluminum oxynitride layer. In this way it is achieved that the first aluminum oxynitride layer has a higher refractive index than the second aluminum oxynitride layer. The refractive index of aluminum oxynitride increases with increasing nitrogen content.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die mindestens eine erste Aluminiumoxynitridschicht die Zusammensetzung AlOx1Ny1 auf, wobei 0,2 < y1 / (x1 + y1) ≤ 1 gilt. Vorzugsweise ist 0,5 < y1 /(x1 + y1) ≤ 1 und besonders bevorzugt 0,8 < y1 /(x1 + y1) ≤ 1. Beispielsweise ist y1 /(x1 + y1) = 0,9.In accordance with at least one embodiment, the at least one first aluminum oxynitride layer has the composition AlO x1 N y1 , where 0.2 <y1 / (x1 + y1) 1 applies. Preferably 0.5 <y1 / (x1 + y1) 1 and particularly preferably 0.8 <y1 / (x1 + y1) 1. For example, y1 / (x1 + y1) = 0.9.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die mindestens eine zweite Aluminiumoxynitridschicht die Zusammensetzung AlOx2Ny2 auf, wobei 0 ≤ y2 / (x2 + y2) ≤ 0,2 ist. Vorzugsweise ist 0 ≤ y1 /(x1 + y1) ≤ 0,1. Auf diese Weise wird erreicht, dass die zweite Aluminiumoxynitridschicht eine geringeren Brechungsindex aufweist als die erste Aluminiumoxynitridschicht.According to at least one embodiment, the at least one second aluminum oxynitride layer has the composition AlO x2 N y2, where 0 y2 / (x2 + y2) 0.2. Preferably 0 y1 / (x1 + y1) 0.1. In this way it is achieved that the second aluminum oxynitride layer has a lower refractive index than the first aluminum oxynitride layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Deckschicht des Schichtstapels durch eine erste Aluminiumoxynitridschicht gebildet, d.h. durch eine Aluminiumoxynitridschicht mit dem höheren Brechungsindex n1. Die ersten Aluminiumoxynitridschichten zeichnen sich insbesondere durch einen hohen kovalenten Bindungsanteil aus. Durch einen hohen kovalenten Bindungsanteil in der Deckschicht kann eine hohe Beständigkeit des Schichtstapels gegen polare Flüssigkeiten erreicht werden.According to at least one embodiment, a cover layer of the layer stack is formed by a first aluminum oxynitride layer, that is to say by an aluminum oxynitride layer with the higher refractive index n 1 . The first aluminum oxynitride layers are characterized in particular by a high proportion of covalent bonding. A high degree of resistance of the layer stack to polar liquids can be achieved through a high proportion of covalent bonding in the cover layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Haftschicht von 1 nm bis 20 nm dick. Die Haftschicht hat in diesem Fall aufgrund der geringen Dicke nur einen geringen Einfluss auf die optischen Eigenschaften des Spiegels.According to at least one embodiment, the adhesive layer is from 1 nm to 20 nm thick. In this case, due to its small thickness, the adhesive layer has only a minor influence on the optical properties of the mirror.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind über der Silberschicht ausschließlich die Haftschicht und der Schichtstapel angeordnet, wobei der Schichtstapel ausschließlich aus Aluminiumoxynitridschichten besteht. Über der Silberschicht sind in dem Spiegel keine weiteren Schichten angeordnet. Dies vereinfacht das Ablösen des Schichtstapels, wenn dieser zur Erneuerung entfernt werden soll.According to at least one embodiment, only the adhesive layer and the layer stack are arranged above the silver layer, the layer stack consisting exclusively of aluminum oxynitride layers. No further layers are arranged above the silver layer in the mirror. This simplifies the detachment of the layer stack when it is to be removed for renewal.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Erneuerung des Spiegels angegeben. Bei dem Verfahren zur Erneuerung des Spiegels, beispielsweise im Fall einer Beschädigung oder Kontamination des Spiegels, werden der Schichtstapel und die Haftschicht durch eine Ätzlösung abgelöst. Der Schichtstapel wird auf diese Weise vorteilhaft vollständig entfernt. Nachfolgend wird der Schichtstapel erneut aufgebracht. Auf diese Weise kann der durch den Schichtstapel bewirkte Schutz des Spiegels erneuert werden. Das Verfahren zur Erneuerung des Spiegels ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Spiegel ein kostenintensives Substrat aufweist. Das Substrat muss in diesem Fall vorteilhaft nicht erneuert werden.A method for renewing the mirror is also specified. In the method for renewing the mirror, for example in the event of damage to or contamination of the mirror, the layer stack and the adhesive layer are detached by an etching solution. The stack of layers is advantageously completely removed in this way. The layer stack is then applied again. In this way, the protection of the mirror brought about by the layer stack can be renewed. The method for renewing the mirror is particularly advantageous when the mirror has an expensive substrate. In this case, the substrate advantageously does not have to be renewed.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die Ätzlösung keine Flusssäure. Da die Aluminiumoxynitridschichten des Schichtstapels auch durch weniger gesundheitsgefährdende Ätzmittel entfernt werden können, kann auf den Gebrauch von Flusssäure vorteilhaft verzichtet werden. Vorzugsweise erfolgt das Entfernen der Aluminiumoxynitridschichten mit Phosphorsäure (H3PO4) . Alternativ kann die Ätzlösung eine wässrige alkalische Lösung sein. Beispielsweise enthält die Ätzlösung KOH oder NaOH.According to at least one embodiment, the etching solution does not contain any hydrofluoric acid. Since the aluminum oxynitride layers of the layer stack can also be removed by etching agents that are less hazardous to health, the use of hydrofluoric acid can advantageously be dispensed with. The aluminum oxynitride layers are preferably removed with phosphoric acid (H 3 PO 4 ). Alternatively, the etching solution can be an aqueous alkaline solution. For example, the etching solution contains KOH or NaOH.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Erneuerung des Spiegels auch das Entfernen und erneute Aufbringen der Silberschicht. Zum Entfernen der Silberschicht von dem Substrat kann eine weitere zum Ätzen von Silber geeignete Ätzlösung verwendet werden. Silber kann zum Beispiel mit Salpetersäure (HNO3) geätzt werden. Andere zum Ätzen von Silber geeignete Ätzlösungen sind eine Iod-Kaliumiodidlösung (I2/KI2) oder eine NH3/H2O2/CH3OH-Lösung.According to at least one embodiment, the method for renewing the mirror also includes removing and reapplying the silver layer. A further etching solution suitable for etching silver can be used to remove the silver layer from the substrate. For example, silver can be etched with nitric acid (HNO 3) become. Other etching solutions suitable for etching silver are an iodine-potassium iodide solution (I 2 / KI 2 ) or an NH 3 / H 2 O 2 / CH 3 OH solution.
Bei einer bevorzugten Variante werden der Schichtstapel, die Haftschicht und die Silberschicht mit einer einzigen Ätzlösung entfernt. Dies kann mit einer Ätzlösung erfolgen, die Phosphorsäure (H3PO4) und Salpetersäure (HNO3) enthält.In a preferred variant, the layer stack, the adhesive layer and the silver layer are removed with a single etching solution. This can be done with an etching solution that contains phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and nitric acid (HNO 3 ).
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Spiegel gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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1 shows a schematic representation of a cross section through a mirror according to an embodiment.
Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.The components shown and the proportions of the components to one another are not to be regarded as true to scale.
Der in
Auf dem Substrat
Auf der Silberschicht
Zum Schutz der Silberschicht
Der Spiegel
Die ersten Aluminiumoxynitridschichten
Die Schichtdicken der Aluminiumoxynitridschichten
Der Spiegel
In einem weiteren Schritt oder gleichzeitig kann gegebenenfalls auch die Silberschicht
Die vergleichsweise einfache Möglichkeit zur Erneuerung des Spiegels ist insbesondere vorteilhaft für Anwendungen, bei denen besonders hochwertige Spiegel eingesetzt werden, beispielsweise bei Spiegeln in der Astronomie oder der Erderkundung.The comparatively simple possibility of renewing the mirror is particularly advantageous for applications in which particularly high-quality mirrors are used, for example mirrors in astronomy or earth exploration.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not restricted by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims or exemplary embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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2020
- 2020-01-17 DE DE102020101041.9A patent/DE102020101041B4/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO1999064900A1 (en) | 1998-06-09 | 1999-12-16 | The Regents Of The University Of California | Durable silver coating for mirrors |
Non-Patent Citations (1)
Title |
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ANJUM, F.; [u.a.]: Improving silver mirrors with aluminum oxynitride protection layers: variation in refractive index with controlled oxygen content by radiofrequency magnetron sputtering. In: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, Vol. 4, 2018, No. 4, S. 044004-1 - 044004-10 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE102020101041B4 (en) | 2022-02-03 |
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