DE202017100512U1

DE202017100512U1 - Optical filters and / or mirrors

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Publication number: DE202017100512U1
Application number: DE202017100512.7U
Authority: DE
Original assignee: OPTICS BALZERS AG
Current assignee: OPTICS BALZERS AG
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2027-02-01

Abstract

Optischer Filter mit einem transmittierenden und/oder reflektierendem Spektralbereich oberhalb einer Wellenlänge von 600nm, umfassend – ein Substrat aus der folgenden Gruppe: Glas, Kunststoffsubstrat, mit Kunststoff beschichtete Substrate, Wafer und waferähnliche Substrate – ein auf zumindest eine Seite des Substrates aufgebrachtes Dünnfilm-Wechselschichtsystem, wobei das Dünnfilm-Wechselschichtsystem abwechselnd Schichten mit einem hochbrechenden Material und Schichten mit einem niederbrechenden Material umfasst, wobei das hochbrechende Material aSi und/oder aSi:H ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Imaginärteil k des komplexen Brechungsindexes des hochbrechenden Materials im transmittierenden Spektralbereich grösser als 0.0005 ist und bevorzugt k > 0.001 gilt.Optical filter having a transmissive and / or reflective spectral range above a wavelength of 600 nm, comprising - a substrate from the following group: glass, plastic substrate, plastic-coated substrates, wafers and wafer-like substrates - a thin film alternating layer system applied to at least one side of the substrate wherein the thin-film alternating layer system alternately comprises layers with a high refractive index material and layers with a low refractive index material, wherein the high refractive index material is aSi and / or aSi: H, characterized in that the imaginary part k of the complex refractive index of the high refractive index material in the transmitting spectral range larger is 0.0005 and preferably k> 0.001.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Filter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf unterschiedliche und bevorzugte Ausführungsformen. The present invention relates to optical filters according to the preamble of claim 1. The dependent claims relate to different and preferred embodiments.

Mehrschichtsysteme auf der Basis von eventuell wasserstoffhaltigem und grossteils amorphem Silizium (aSi bzw. aSi:H) sind seit einiger Zeit Stand der Technik und werden zusammen mit niedrig brechenden Materialien wie SiO₂ oder Siliziumnitrid Si₃N₄ als optische Filter im nahen Infrarot-Bereich eingesetzt. Ein Beispiel für einen Bandpassfilter mit hoher Transmission für einen Spektralbereich von ca. 800nm–1000nm, bestehend aus einem Langpassfilter für Wellenlängen grösser als ca. 800nm auf der einen und einem Kurzpassfilter für Wellenlängen kleiner als ca. 1000nm auf der anderen Seite eines transparenten Substrates, findet sich in Tsai et al. US5398133 . Weitere Beispiele für Bandpassfilter mit hoher Transmission im Spektralbereich über 800nm finden sich in Hendrix et al. US9354369 . Anwendungen dieser Filter liegen zum Beispiel im Bereich der Abstandsmessung. Hierbei wird die Umgebung mit einem Infrarot-Strahler mit einer typischen Wellenlänge im Bereich 850–950nm gepulst ausgeleuchtet. Das von Objekten zurück gestreute oder reflektierte Licht wird von einem Sensor empfangen und die Zeitverzögerung zwischen Aussenden und Empfang des Pulses zur Bestimmung des Abstands gemessen. Um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Sensors zu verbessern wird der Sensor mit einem Bandpassfilter für den Spektralbereich des Emitters abgedeckt, so dass vom Sensor möglichst nur das Licht dieses Infrarot-Strahlers detektiert wird. Eine weitere Anwendung betrifft Infrarotsensoren in „Lichtvorhängen“, die als Sicherheitselemente zur Anlagenabschaltung bei Unterbrechung des Lichtvorhangs verwendet werden. Multilayer systems based on possibly hydrogen-containing and largely amorphous silicon (aSi or aSi: H) have been state of the art for some time and, together with low refractive materials such as SiO ₂ or silicon nitride Si ₃ N _{4, are used} as near-infrared optical filters used. An example of a bandpass filter with high transmission for a spectral range of about 800nm-1000nm, consisting of a long-pass filter for wavelengths greater than about 800nm on the one hand and a short-pass filter for wavelengths smaller than about 1000nm on the other side of a transparent substrate, is found in Tsai et al. US5398133 , Further examples of bandpass filters with high transmission in the spectral range above 800 nm can be found in Hendrix et al. US9354369 , Applications of these filters are, for example, in the field of distance measurement. Here, the environment is pulsed with an infrared emitter with a typical wavelength in the range 850-950nm. The light scattered or reflected by objects is received by a sensor and the time delay between transmission and reception of the pulse to determine the distance is measured. In order to improve the signal-to-noise ratio of the sensor, the sensor is covered with a band-pass filter for the spectral range of the emitter, so that as far as possible only the light of this infrared emitter is detected by the sensor. Another application relates to infrared sensors in "light curtains", which are used as safety elements for system shutdown when the light curtain is interrupted.

Vorteile des aSi:H in dieser Anwendung sind der grosse Brechungsindex ( E.D.Palik, Ed., „Handbook of Optical Constants of Solids“, Seite 571ff gibt für den Brechwert bei 827nm n = 4.13 an; dieser Wert wird zum Beispiel auf Grund von Verunreinigungen durch insbesondere Sauerstoff häufig jedoch nicht erreicht, so dass Brechwerte bei dieser Wellenlänge eher im Bereich 3.4–3.8 liegen) und die hohe Absorption des aSi oder aSi:H für Wellenlängen unterhalb der Bandpass-Transmission, welche zusammen einfache Filterdesigns ermöglichen. Auf Grund des grossen Brechungsindexes tritt bei Verwendung eines entsprechenden niedrig brechenden Materials im Filterschichtsystem ein grosser Brechungsindex-Sprung auf, welcher es ermöglicht, mit weniger Schichten einfachere und dünnere Schichtdesigns für die Bildung des Transmissionsbereiches mit steilen Kanten umzusetzen im Vergleich zu Filterdesigns, deren hochbrechendes Material einen kleineren Brechungsindex aufweist (zum Beispiel Nb₂O₅ mit einem Brechwert von ca. 2.25–2.3 bei 800nm). Für Materialkombinationen ohne Absorption muss zur Blockung eines weiten Spektralbereiches von typisch 300–800nm ein aufwändiges Schichtsystem verwendet werden, um Licht sämtlicher Wellenlängen und für einen grossen Winkelbereich zu reflektieren. aSi oder aSi:H hingegen absorbieren bei ausreichender Materialdicke und abhängig von den detaillierten Materialeigenschaften einen grossen Teil der Strahlung im Spektralbereich unter ca. 700nm, so dass weniger Schichten zur Erzeugung der Blockung in diesem Spektralbereich nötig sind. Diese auf Absorption beruhende Blockung ist zusätzlich im Wesentlichen unabhängig vom Einfallswinkel des Lichtes. Weiterhin ist es bekannt, dass hochbrechende Materialien Filter mit nur schwacher Abhängigkeit der spektralen Eigenschaften vom Einfallswinkel ermöglichen (z.B. Macleod, Thin Film Optical Filters, 3.Auflage 2001, Kapitel 7.2.4 und insbesondere Graphik 7.12 auf Seite 287 ), wodurch ebenfalls einfachere Filterdesigns möglich sind, sofern grosse Einfallswinkelbereiche gefordert sind. Beispiele solcher Filter finden sich in B.M. Lairson et al, Proc. SPIE 6545 (2007) 65451C oder I.S.Gainutdinov J.Opt.Technol 71 (2004) 842 . Advantages of the aSi: H in this application are the high refractive index ( Edpalik, Ed., "Handbook of Optical Constants of Solids", page 571ff gives for the refractive power at 827nm n = 4.13; however, this value is often not achieved, for example because of impurities due to especially oxygen, so that refractive powers at this wavelength are more in the range of 3.4-3.8) and the high absorption of the aSi or aSi: H for wavelengths below the bandpass transmission together allow simple filter designs. Due to the high index of refraction, using a corresponding low refractive index material in the filter layer system, a large refractive index jump occurs which allows for easier and thinner layer designs for forming the steep edge transmission region with fewer layers compared to filter designs whose high refractive index material has a smaller refractive index (for example Nb ₂ O ₅ with a refractive power of about 2.25-2.3 at 800nm). For material combinations without absorption, a complex layer system must be used to block light of all wavelengths and for a large angular range to block a broad spectral range of typically 300-800 nm. aSi or aSi: H, on the other hand, absorb a large part of the radiation in the spectral range below about 700 nm, given sufficient material thickness and depending on the detailed material properties, so that fewer layers are required to produce blocking in this spectral range. This absorption-based blocking is additionally essentially independent of the angle of incidence of the light. Furthermore, it is known that high refractive materials allow filters with only weak dependence of the spectral properties on the angle of incidence (eg Macleod, Thin Film Optical Filters, 3rd edition 2001, chapter 7.2.4 and in particular figure 7.12 on page 287 ), which also simpler filter designs are possible, if large incident angle ranges are required. Examples of such filters can be found in BM Lairson et al, Proc. SPIE 6545 (2007) 65451C or ISGainutdinov J.Opt.Technol 71 (2004) 842 ,

Wichtig für die Anwendung von aSi oder aSi:H im Spektralbereich über ca. 800nm ist jedoch, dass der Imaginärteil k des komplexen Brechungsindexes hinreichend niedrig liegt. Gemäss Palik liegt k von aSi:H um oder unter 10^–4 bei einer Wellenlänge von 800nm. Dieser sehr niedrige Wert, der unter Produktionsbedingungen häufig nicht erreicht wird, wird für ausreichende Transmission oft nicht benötigt. K.Gibbons et al. zeigen in SVC-Proceedings 50 (2007) 327 , dass k von aSi:H bei 650nm unter 0.1 liegt und dass ein einfacher Langpassfilter mit einer moderaten Kantensteilheit von ca.40nm (gemessen vom 10%-Transmissionspunkt zum 80% Transmissionspunkt) mit hoher Transmission oberhalb von ca. 750nm (k deutlich unter 0.01 für die besten Abscheidebedingungen) produziert werden kann. Für wasserstofffreies aSi, das wesentlich höhere k-Werte aufweist (k ca. 0.1 bei 750nm) als wasserstoffhaltiges aSi:H, wurde eine Transmission von 90% erst bei einer Wellenlänge von ca.1200nm (k ca. 0.01) erreicht. Die Anlage zur Produktion von aSi:H-Schichten beinhaltet hier ein zusätzliches Mikrowellenplasma und eine Heizquelle, um Energie in die wachsende Schicht zu deponieren. Die Substrattemperatur wird jedoch nicht erwähnt. Important for the application of aSi or aSi: H in the spectral range over approx. 800nm, however, is that the imaginary part k of the complex refractive index is sufficiently low. According to Palik, k of aSi: H is around or below 10 ^-4 at a wavelength of 800nm. This very low value, which is often not achieved under production conditions, is often not needed for sufficient transmission. K. Gibbons et al. show in SVC Proceedings 50 (2007) 327 in that k of aSi: H is below 0.1 at 650 nm and that a simple long-pass filter with a moderate edge steepness of approximately 40 nm (measured from the 10% transmission point to the 80% transmission point) with high transmission above approximately 750 nm (k, clearly below 0.01 for the best deposition conditions) can be produced. For hydrogen-free aSi, which has much higher k values (k about 0.1 at 750 nm) than hydrogen-containing aSi: H, a transmission of 90% was achieved only at a wavelength of about 1200 nm (k approx. 0.01). The plant for the production of aSi: H layers contains an additional microwave plasma and a heating source to deposit energy into the growing layer. However, the substrate temperature is not mentioned.

Typischerweise wird das Substrat auf hohe, zum Teil sehr hohe, Temperaturen gebracht, um hinreichend kleine k-Werte zu erreichen. In PECVD-Verfahren, wie von Tsai für die Herstellung von aSi:H verwendet, wird typisch eine Substrattemperatur von 250°C angegeben, siehe Tsai et al. US5398133 und auch Tsai et al. Applied Optics 32 (1993) 5561 , oder ebenfalls Ibaraki et al. Phys.Rev.B 30 (1984) 5791. Tsai et al. erreichen ein k = 0.004 bei einer Wellenlänge von 800nm und ermöglichen sehr hohe Transmission oberhalb einer Wellenlänge von ca. 800nm, auch hier für relativ einfache Langpässe und Kurzpässe mit einer Kantensteilheit von jeweils ca. 40nm und jeweils einer Gesamtschichtdicke von ca. 970nm bzw. 1560nm, wobei die Gesamtschichtdicke der aSi:H-Schichten ca. 320nm bzw. 480nm beträgt und damit relativ gering ist. Auch für aufgedampfte aSi Schichten und Filtersysteme wie in I.S.Gainutdinov J.Opt.Technol 71 (2004) 842 wird eine Substrattemperatur von 250°C und Nachtempern bei 350°C verwendet, ebenso berichten S.A.Kumar et al (Optical Engineering 38 (1999) 368) die Eigenschaften von bei 150°C–327°C aufgedampften aSi-Schichten und Filtersystemen. Gesputterte Schichten wie in J.Stone et al. Applied Optics 29 (1990) 583 oder in L.Domash et al. (Journal of Lightwave Technology 22 (2004) 126) wurden bei 250°C beziehungsweise 280°C abgeschieden. Typically, the substrate is brought to high, sometimes very high, temperatures in order to achieve sufficiently low k values. In PECVD processes, as used by Tsai for the preparation of aSi: H, typically a substrate temperature of 250 ° C is given, see Tsai et al. US5398133 and also Tsai et al. Applied Optics 32 (1993) 5561 , or likewise Ibaraki et al. Phys.Rev.B 30 (1984) 5791. Tsai et al. reach a k = 0.004 at a wavelength of 800nm and allow very high transmission above a wavelength of about 800nm, again for relatively simple long passes and short passes with an edge steepness of about 40nm and a total layer thickness of about 970nm or 1560nm , Wherein the total layer thickness of the aSi: H layers is about 320 nm or 480 nm and is therefore relatively low. Also for vapor deposited aSi layers and filter systems like in ISGainutdinov J.Opt.Technol 71 (2004) 842 a substrate temperature of 250 ° C and post-annealing at 350 ° C is used, as reported SAKumar et al (Optical Engineering 38 (1999) 368) the properties of aSi layers and filter systems vapor-deposited at 150 ° C-327 ° C. Spattered layers like in J. Stone et al. Applied Optics 29 (1990) 583 or in L.Domash et al. (Journal of Lightwave Technology 22 (2004) 126) were deposited at 250 ° C and 280 ° C, respectively.

Hingegen berichten P.M.Martin et al. in Applied Optics 41 (2002) 6702 von gesputterten aSi:H-Schichten, die bei Raumtemperatur bis zu Substrattemperaturen von 200°C hergestellt wurden. Allerdings werden die Brechwerte und k nur bei Wellenlängen oberhalb von ca. 1200nm dargestellt und deutlich ist auch ein Ansteigen von k mit sinkender Substrattemperatur bei sonst gleichen Abscheidebedingungen festzustellen. Vergleicht man die niedrigsten k-Werte mit den von Gibbons et al. berichteten k-Werten, so ist davon auszugehen, dass bei Raumtemperatur abgeschiedene Schichten im besten Fall (bei hohem H₂-Fluss) k-Werte von ca. 0.02–0.05 bei 800nm aufweisen. Dieses bei niedriger Temperatur hergestellte Material ist unzureichend für die Herstellung von den meisten optischen Filtern im Spektralbereich um ca. 800nm. On the other hand report PM Martin et al. in Applied Optics 41 (2002) 6702 of sputtered aSi: H layers made at room temperature up to substrate temperatures of 200 ° C. However, the refractive indices and k are only displayed at wavelengths above approx. 1200 nm, and an increase of k can be clearly seen with decreasing substrate temperature with otherwise identical deposition conditions. If one compares the lowest k-values with those of Gibbons et al. If k values are reported, it can be assumed that layers deposited at room temperature have k values of approx. 0.02-0.05 at 800 nm in the best case (with high H ₂ flux). This material produced at low temperature is insufficient for the production of most optical filters in the spectral range around 800nm.

Hendrix et al. US9354369 berichten von Materialien mit sehr niedrigem k < 0.0005 im Spektralbereich über 800nm, erwähnen jedoch keine Abscheidetemperatur. Manche der Schichten wurden bei 300°C–350°C nachgetempert, womit eine weitere deutliche Reduktion der Absorption erzielt werden kann. Die Beispiel-Schichtsysteme sind bei Hendrix mit 2800nm/4300nm/5200nm relativ dick, sind jedoch auch anspruchsvoller als die oben erwähnten Langpass- oder Kurzpassfilter und weisen eine grosse Kantensteilheit von weniger als 10nm auf. Die Gesamtschichtdicke der aSi:H-Schichten beträgt in diesen Beispielen ca.750nm/2470nm/1920nm und ist deutlich höher als bei Tsai et al. Allerdings geben Hendrix et al. keine detaillierten Angaben zum spektralen Verlauf der Absorption an, ausser dass k > 0.01 bei 600nm oder k > 0.05 bei 650nm sein soll. Hendrix et al. US9354369 report materials with very low k <0.0005 in the spectral range over 800nm, but mention no deposition temperature. Some of the layers were post-annealed at 300 ° C-350 ° C, which allows a further significant reduction in absorption can be achieved. The example layer systems are relatively thick at Hendrix at 2800nm / 4300nm / 5200nm, but are also more demanding than the long-pass or short-pass filters mentioned above and have a large edge steepness of less than 10nm. The total layer thickness of the aSi: H layers in these examples is about 750 nm / 2470 nm / 1920 nm and is significantly higher than in Tsai et al. However, Hendrix et al. no detailed information on the spectral response of the absorption, except that k> 0.01 at 600nm or k> 0.05 at 650nm should be.

1 zeigt die berechnete Absorption eines hypothetischen Materials mit einem Brechwert n von 3.6 bei verschiedenen k-Werten. Die Berechnung wurde für eine 1500nm dicke Schicht und bei einer Wellenlänge von 900nm durchgeführt. Bei nicht zu grossem k weist die Absorption Minima und Maxima auf (durch Interferenz-Effekte), unter den angegebenen Bedingungen ist die Absorption jeweils am Maximum. Die Absorption liegt unter 10% für k-Werte kleiner als ca. 0.002, während bei einem k-Wert von 0.01 bereits 30% des Lichts absorbiert werden. Die Absorption steigt nicht über ca. 68% an, da durch den hohen Brechwert des Materials ca. 32% des Lichts an der Materialoberfläche reflektiert werden. Ein ähnlicher Kurvenverlauf ergibt sich auch bei etwas anderen Parameterwerten für Schichtdicke und Wellenlänge. Allerdings hängt die Absorption realer Schichtsysteme von vielen Details des Schichtaufbaus, der Gesamtdicke des absorbierenden Materials und der optischen Eigenschaften der Materialien ab, so dass die hier gezeigten Werte nur als Anhaltspunkte zu werten sind. So kann zum Beispiel bei kleinerer Gesamtdicke des absorbierenden Materials auch ein grösserer k-Wert akzeptabel sein. Für komplexere Filter mit einer typischen aSi:H-Gesamtschichtdicke von um oder über 1000nm muss der k-Wert kleiner ungefähr 0.002 sein, um eine Transmission des Filters im Transmissionsbereich von über 90% zu erlauben. 1 shows the calculated absorption of a hypothetical material with a refractive index n of 3.6 at different k-values. The calculation was carried out for a 1500 nm thick layer and at a wavelength of 900 nm. In the case of k that is not too large, the absorption has minima and maxima (due to interference effects); under the given conditions, the absorption is at its maximum. The absorption is below 10% for k values less than about 0.002, while at a k value of 0.01 already 30% of the light is absorbed. The absorption does not increase above approx. 68%, since the high refractive index of the material reflects approx. 32% of the light at the material surface. A similar curve also occurs with slightly different parameter values for layer thickness and wavelength. However, the absorption of real layer systems depends on many details of the layer structure, the total thickness of the absorbent material and the optical properties of the materials, so that the values shown here are only indicative. For example, with a smaller overall thickness of the absorbent material, a larger k value may be acceptable. For more complex filters with a typical aSi: H total layer thickness of around or above 1000nm, the k-value must be less than about 0.002 to allow transmission of the filter in the transmission range above 90%.

Wie in der Literatur häufig beschrieben, kann der spektrale Verlauf der Absorption für aSi:H mit dem Wasserstoffgehalt der Schicht bzw. dem Wasserstoffanteil im Reaktionsgas eingestellt werden. Hendrix et al. US9354369 zeigen zum Beispiel, dass die Absorptionskante (definiert als Wellenlänge, bei der eine 1500nm dicke aSi:H-Schicht 50% Transmission aufweist) mit dem Wasserstoffanteil im Sputtergas kontinuierlich und stetig von 950nm nach ca. 650nm geschoben werden kann. Auch Gibbons et al. zeigen den starken Einfluss des Wasserstoffanteils im Sputtergas auf. Der Zusammenhang zwischen Absorption und Wasserstoffanteil von aSi:H wurde intensiv studiert und ist wohl bekannt, siehe z.B. F. Demichelis et al., Journal of Applied Physics 59, 611 (1986) oder E.C.Freeman, Phys.Rev.B 20 (1979) 716 und viele weitere Arbeiten im Zusammenhang mit photovoltaischen Zellen auf der Basis aSi:H. As frequently described in the literature, the spectral curve of the absorption for aSi: H can be adjusted with the hydrogen content of the layer or the hydrogen content in the reaction gas. Hendrix et al. US9354369 show, for example, that the absorption edge (defined as the wavelength at which a 1500 nm thick aSi: H layer has 50% transmission) can be continuously and steadily shifted from 950 nm to about 650 nm with the hydrogen content in the sputtering gas. Also Gibbons et al. show the strong influence of the hydrogen content in the sputtering gas. The relationship between absorption and hydrogen content of aSi: H has been studied intensively and is well known, see eg Demichelis et al., Journal of Applied Physics 59, 611 (1986) or EC Freeman, Phys. Rev.B 20 (1979) 716 and many more work related to photovoltaic cells based on aSi: H.

Auf Grund der zumeist hohen Abscheidetemperaturen und/oder der recht dicken Schichtsysteme ist eine Abscheidung auf empfindliche Substrate gemäss der bekannten Literatur nicht möglich. Unter “empfindlichen Substrate“ werden hier z.B. folgende Fälle verstanden: Kunststoff-Substrate wie zum Beispiel Zeonex, mit Kunststoffen wie Epoxyd-Harzen beschichtete Substrate, mit Photolacken beschichtete Substrate, strukturierte Epoxyde (wie zum Beispiel Mikrooptik-Linsen) oder strukturierte Photolacke für zum Beispiel Lift-Off-Strukturierung, elektrisch aktive Silizium- oder andere Wafer und ähnliche empfindliche Substrate. Insbesondere die meisten Kunststoffe und Lacke erlauben Substrattemperaturen über ca. 120°C nicht. Aber auch empfindliche Substrate, die höhere Temperaturen erlauben, sind häufig nicht mit dicken Schichtsystemen zu beschichten. Aufgedampfte oder gesputterte Schichten weisen häufig einen recht hohen Schichtstress auf, so dass die Strukturen von strukturierten Substraten durch den Schichtstress zu stark in deren geometrischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Es kann zum Beispiel sein, dass der Schichtstress eine Mikrolinse verformt, und damit sich die optischen Eigenschaften der Linse, wie zum Beispiel die Brennweite, zu stark verändern. Auch ist der Temperatur-Ausdehnungskoeffizient der meisten Kunststoffe um 1–2 Grössenordnungen grösser als der sehr niedrige Temperatur-ausdehnungskoeffizient von aSi oder aSi:H, wie auch SiO₂, so dass Temperatur-Schwankungen zu einem grossen Stress an der Grenze Substrat-Schicht führen. Dasselbe gilt für Feuchteaufnahme und Feuchteabgabe des Kunststoffs, die zu einem anschwellen/abschwellen des Kunststoffs und damit zu Stress an der Grenze Substrat-Schicht führt. Durch diesen Stress kann die Form von Kunststoffteilen geändert werden oder es kann zu Schichtablösungen, Schichtrissen oder Rissen im Substrat und damit zur Zerstörung des Bauteils kommen. Um diese Grenzfläche und den Kunststoff sowie das Schichtmaterial nicht zu sehr zu belasten, ist eine möglichst geringe Schichtdicke des Schichtsystems anzustreben. Auch ist bei der Lift-Off-Technologie der Lift-Off der nicht zu beschichtenden Bereiche bei dickeren Schichtsystemen schwierig oder gar unmöglich, so dass eine Begrenzung der Schichtdicke des Filtersystems und der Abscheidetemperatur notwendig ist. Due to the usually high deposition temperatures and / or the rather thick layer systems, deposition on sensitive substrates according to the known literature is not possible. By "sensitive substrates" is meant, for example, the following cases: plastic substrates such as Zeonex, substrates coated with plastics such as epoxy resins, substrates coated with photoresists, structured epoxies (such as micro-optic lenses) or patterned photoresists for example Lift-off structuring, electrically active Silicon or other wafers and similar sensitive substrates. In particular, most plastics and coatings do not allow substrate temperatures above about 120 ° C. But even sensitive substrates that allow higher temperatures are often not coated with thick coating systems. Deposited or sputtered layers often have a rather high layer stress, so that the structures of structured substrates are impaired by the layer stress too strongly in their geometric properties. For example, it may be that the layer stress deforms a microlens, and thus the optical properties of the lens, such as the focal length, change too much. Also, the coefficient of thermal expansion of most plastics by 1-2 orders of magnitude greater than the very low coefficient of thermal expansion of aSi or aSi: H, as well as SiO ₂ , so that temperature fluctuations lead to a high stress at the boundary substrate layer , The same applies to moisture absorption and moisture delivery of the plastic, which leads to a swelling / swelling of the plastic and thus to stress at the boundary substrate layer. Due to this stress, the shape of plastic parts can be changed or it can lead to delamination, layer cracks or cracks in the substrate and thus to the destruction of the component. In order not to burden this interface and the plastic and the layer material too much, the smallest possible layer thickness of the layer system should be sought. Also, in the lift-off technology, the lift-off of the non-coated areas is difficult or even impossible with thicker layer systems, so that a limitation of the layer thickness of the filter system and the deposition temperature is necessary.

Ziel der erfindungsgemässen Lösung ist es daher, die Beschichtung solcher empfindlichen Substrate mit optischen Filtern für den Nah-Infrarot-Bereich oberhalb von ca. 800nm auf der Basis möglichst dünner Schichtsysteme zu ermöglichen. The aim of the inventive solution is therefore to enable the coating of such sensitive substrates with optical filters for the near-infrared region above about 800 nm on the basis of thin layer systems as possible.

Hierzu wird erfindungsgemäss als hochbrechendes Material aSi:H mit einer langwelligen Restabsorption von k > 0.0005, besonders bevorzugt k > 0.001, aber k < 0.005 im transmittierenden Spektralbereich und einer höheren Absorption k > 0.01 im kurzwelligeren Spektralbereich bis mindestens 100nm und höchstens 160nm unterhalb der kurzwelligen Grenze (definiert beim 50%-Wert der Transmission) des Transmissionsbandes des optischen Filters verwendet, wobei die Abscheidung bei einer Temperatur von < 130°C, bevorzugt < 100°C, besonders bevorzugt < 80°C, mit Nachtempern des Schichtsystems höchstens bei Temperaturen von 150°C, besonders bevorzugt unter 130°C und besonders bevorzugt bei maximal 100°C, durchgeführt wird. Die Schichtdicke des Filtersystems liegt unter 3800nm, bevorzugt unter 3000nm, besonders bevorzugt unter 2600nm. According to the invention, aSi: H with a long-wave residual absorption of k> 0.0005, particularly preferably k> 0.001, but k <0.005 in the transmissive spectral range and a higher absorption k> 0.01 in the short-wave spectral range up to at least 100 nm and at most 160 nm below the short-wave Limit (defined at 50% value of the transmission) of the transmission band of the optical filter used, wherein the deposition at a temperature of <130 ° C, preferably <100 ° C, more preferably <80 ° C, with post-annealing of the layer system at most at temperatures of 150 ° C, more preferably below 130 ° C and most preferably at a maximum of 100 ° C, is performed. The layer thickness of the filter system is below 3800 nm, preferably below 3000 nm, particularly preferably below 2600 nm.

Durch die Wahl der höheren Absorption im Spektralbereich bis relativ nahe an den transmittierenden Spektralbereich lässt sich in einer bevorzugten Ausführungsform des optischen Filters erreichen, dass die Begrenzung des transmittierenden Spektralbereichs zu kürzeren Wellenlängen hin zumindest mit erheblichem Beitrag auf die Absorption zurückzuführen ist. Hierdurch lässt sich zum Beispiel die Winkelabhängigkeit des optischen Filters (in Bezug auf den Einfallswinkel des Lichtes) deutlich reduzieren, ebenso wie die Gesamtdicke des Schichtsystems. By choosing the higher absorption in the spectral range to relatively close to the transmitting spectral range can be achieved in a preferred embodiment of the optical filter that the limitation of the transmitting spectral range to shorter wavelengths is due at least with considerable contribution to the absorption. This makes it possible, for example, to significantly reduce the angular dependence of the optical filter (with respect to the angle of incidence of the light), as well as the overall thickness of the layer system.

Dies lässt sich beispielsweise durch folgendes Verfahren realisieren: Bei der im Beispiel verwendeten Sputter-Beschichtungsanlage handelt es sich um eine Trommelanlage. Die Substrate sind auf eine Trommel mit der zu beschichtenden Seite nach aussen befestigt. Die Trommel rotiert mit einer Rotationsfrequenz von ca. 0.5Hz, so dass die Substrate alle ca. 2s an den Targets vorbeifahren. Die Sputtertargets befinden sich in einem Abstand von 5 bis 10cm zu den Substraten und sind rechteckig ausgeführt, je nach Ausführung der Anlage ca. 12cm breit und ca. 50cm oder mehr lang. Die Sputterquellen sind vom Magnetron-Typ. Für das Sputtern von aSi:H wird entweder eine gepulste DC-Quelle verwendet, oder, falls 2 Targets zum Sputtern von aSi:H verwendet werden, auch eine Mittelfrequenz-Powersupply (typisch 40kHz), bei der die Spannung abwechselnd auf den zwei Targets angelegt wird. Als Sputtergas für aSi:H wird ein Gasgemisch aus Argon und Wasserstoff, in einem Verhältnis von typisch 4:1, verwendet, wobei der Wasserstoffanteil auch deutlich niedriger und deutlich höher (im Bereich 15:1 bis 1.5:1) gewählt werden kann, je nach geforderter spektralen Lage des Transmissionsbereiches des optischen Filters. Der Gesamtfluss der Gase beträgt im Beispiel bei der Verwendung von 2 Targets ca. 150sccm, wodurch ein Sputterdruck in der Nähe der Targetoberfläche von ca. 5 bis 15 × 10^–3 mbar erzeugt wird. Die Sputterspannung liegt typisch im Bereich von oberhalb 800V bei einer Sputterleistung von typisch 4.5kW je Target. Die gemittelte Abscheiderate beträgt um 0.25nm/s. This can be achieved, for example, by the following method: The sputter coating system used in the example is a drum system. The substrates are mounted on a drum with the side to be coated to the outside. The drum rotates with a rotation frequency of approx. 0.5Hz, so that the substrates pass the targets every 2s. The sputtering targets are located at a distance of 5 to 10cm to the substrates and are rectangular, depending on the design of the system about 12cm wide and about 50cm or more long. The sputter sources are of the magnetron type. For sputtering aSi: H either a pulsed DC source is used or, if 2 targets are used to sputter aSi: H, also a mid-frequency power supply (typically 40kHz) where the voltage is alternately applied to the two targets becomes. As a sputtering gas for aSi: H, a gas mixture of argon and hydrogen, in a ratio of typically 4: 1, is used, wherein the hydrogen content can also be much lower and significantly higher (in the range 15: 1 to 1.5: 1) can be selected, depending according to required spectral position of the transmission range of the optical filter. The total flow of the gases in the example when using 2 targets is about 150 sccm, whereby a sputtering pressure in the vicinity of the target surface of about 5 to 15 × 10 ^-3 mbar is generated. The sputtering voltage is typically in the range of above 800V with a sputtering power of typically 4.5kW per target. The averaged deposition rate is around 0.25nm / s.

Eine grossflächige Abscheidung auch für grosse Substrate mit einem Durchmesser von zum Beispiel 300mm ist mit diesem Anlagentyp möglich. Zur Verbesserung der Homogenität kann eine Phasenmodulation der Sputterleistung, wie in US6572738 beschrieben, verwendet werden. Large-area deposition, even for large substrates with a diameter of, for example, 300 mm, is possible with this type of installation. To improve the homogeneity, a phase modulation of the sputtering power, as in US6572738 described, are used.

Ohne Heizung der Substrate stellt sich durch den Energieeintrag bei der Beschichtung eine Substrattemperatur von ca. 80–90°C ein, gemessen mit einem Schleppthermometer. Mit zusätzlicher Heizung der Substrate kann die Temperatur, falls gewünscht und falls das Substrat dies zulässt, erhöht werden. Die Substratheizung wird allerdings typischerweise nur benutzt, um das Substrat schon vor Beginn der Abscheidung auf die Temperatur von 80–90°C zu bringen, so dass während der Abscheidung die Temperatur nahezu konstant gehalten wird. Die Substratheizung wird also während der Beschichtung typischerweise ausgeschaltet. Without heating the substrates, the energy input during the coating results in a substrate temperature of approx. 80-90 ° C, measured with a towing thermometer. With additional heating of the substrates, the temperature can be increased, if desired and if the substrate permits. However, the substrate heating is typically only used to bring the substrate to the temperature of 80 ° C even before deposition begins. 90 ° C, so that during the deposition, the temperature is kept almost constant. The substrate heating is thus typically switched off during the coating.

Als niedrig-brechendes Material kann SiO₂ mit einem Brechwert von ca. 1.46–1.47 im Spektralbereich 800nm bis 1100nm, verwendet werden, wobei auch andere Materialien wie Ta₂O₅, Nb₂O₅, Si₃N₄ oder SiO_xN_y verwendet werden können. SiO ₂ having a refractive index of about 1.46-1.47 in the spectral range 800 nm to 1100 nm can be used as the low-refractive material, although other materials such as Ta ₂ O ₅ , Nb ₂ O ₅ , Si ₃ N ₄ or SiO _x N _y can be used.

2a zeigt Realteil (n) und Imaginärteil (k) des komplexen Brechungsindex des aSi:H-Materials bei einer Beschichtung gemäss dem oben beschriebenen Verfahren bei einer Substrattemperatur von 80°C–90°C und bei einem Gasgemisch aus Argon und Wasserstoff mit einem Verhältnis von 4:1 nach Tempern des Materials bei 120°C für 20h. Der Imaginärteil des Materials liegt bei Wellenlängen unter ca. 700nm über 0.01 und bei Wellenlängen von über 800nm unter 0.002. Dieses Material ist daher besonders geeignet für optische Filter mit einem Tranmissionsbereich bei Wellenlängen knapp oberhalb von 800nm. Der Imaginärteil des Brechwerts bleibt jedoch bis zu Wellenlängen von ca. 950–1000nm über 0.0005. 2b zeigt Realteil (n) und Imaginärteil (k) des komplexen Brechungsindex des aSi:H-Materials bei einer Beschichtung gemäss dem oben beschriebenen Verfahren bei einer Substrattemperatur von 80°C–90°C und bei einem Gasgemisch aus Argon und Wasserstoff mit einem Verhältnis von 8:1 nach Tempern des Materials bei 120°C für 20h. Der Imaginärteil des Materials liegt bei Wellenlängen unter ca. 800nm über 0.01 und bei Wellenlängen von über 900nm unter 0.002. Dieses Material ist daher besonders geeignet für optische Filter mit einem Tranmissionsbereich bei Wellenlängen knapp oberhalb von 900nm. Der Imaginärteil des Brechwerts bleibt jedoch bis zu Wellenlängen von ca. 1050–1100nm über 0.0005. Der spektrale Verlauf für den Imaginärteil k ist im Vergleich zu den meisten Literaturwerten deutlich flacher und sinkt bei grossen Wellenlängen auch nicht zu so tiefen Werten ab wie üblicherweise berichtet. Ursache hierfür ist die niedrige Abscheidetemperatur, wodurch Defekte in den aSi:H-Schichten verbleiben, die zur langwelligen Restabsorption führen. 2a shows real part (s) and imaginary part (k) of the complex refractive index of the aSi: H material in a coating according to the method described above at a substrate temperature of 80 ° C-90 ° C and in a gas mixture of argon and hydrogen with a ratio of 4: 1 after annealing the material at 120 ° C for 20h. The imaginary part of the material is below 0.01 at wavelengths below about 700 nm and below 0.002 at wavelengths above 800 nm. This material is therefore particularly suitable for optical filters with a transmission range at wavelengths just above 800nm. However, the imaginary part of the refractive power remains up to wavelengths of about 950-1000 nm above 0.0005. 2 B shows real part (s) and imaginary part (k) of the complex refractive index of the aSi: H material in a coating according to the method described above at a substrate temperature of 80 ° C-90 ° C and in a gas mixture of argon and hydrogen with a ratio of 8: 1 after annealing the material at 120 ° C for 20h. The imaginary part of the material is below 0.01 at wavelengths below about 800 nm and below 0.002 at wavelengths above 900 nm. This material is therefore particularly suitable for optical filters with a transmission range at wavelengths just above 900nm. However, the imaginary part of the power remains up to wavelengths of about 1050-1100nm above 0.0005. The spectral course for the imaginary part k is significantly flatter compared to most literature values and does not decrease to such a low value at high wavelengths as commonly reported. The reason for this is the low deposition temperature, as a result of which defects remain in the aSi: H layers, which lead to long-wave residual absorption.

Die Erfindung wird nun anhand von unterschiedlichen Beispielen optischer Filter mit Hilfe der Figuren beispielhaft im Detail erläutert. The invention will now be described by way of example with reference to different examples of optical filters with the aid of the figures in detail.

Zunächst wird auf den Einfluss der spektralen Position des Absorptionsbereiches des aSi:H-Materials eingegangen. First, the influence of the spectral position of the absorption region of the aSi: H material is discussed.

3a zeigt den Schichtaufbau zweier Filter, die für eine Transmission bei ca.840–890nm bzw. ca. 930–980nm optimiert wurden. Die erste Schicht befindet sich auf dem Substrat und die Schichtdicken sind in Nanometer angegeben. Die Gesamtschichtdicken betragen ca. 2180nm bzw. 3130nm, die Gesamtschichtdicke für die aSi:H-Schichten ist ca. 1350nm bzw. 1890nm. Die Schichten wurden bei einem Wasserstoffanteil von 4:1 hergestellt, k ist also nur für Wellenlängen unter ca. 700nm über 0.01. Die Beschichtungstemperatur bleibt unter 90°C, ist also für die Abscheidung auf empfindliche Substrate geeignet. Die Schichten wurden für 20h bei 120°C an Luft nachgetempert, wodurch die Transmission im Vergleich zu den ungetemperten Schichtsystemen um 3–4% erhöht wurde, wobei die Unterschiede zwischen Schichten mit Temperung bei 100°C, 120°C und 150°C im Bereich 1–2% liegen. Durch das Tempern verändert sich die spektrale Lage der Bandpässe nur um wenige Nanometer. Die Schichtsysteme wurden ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite des Glases aufgebracht. 3b zeigt die gemessene Transmission für diese beiden Filter, der kurzwellige Filter für den Spektralbereich ca. 840–890nm wird in durchgezogener Linie gezeigt, der langwelligere Filter gestrichelt. Für den kurzwelligen Filter, der einen spektralen Abstand von ca. 125nm von der Wellenlänge mit k = 0.01 zum kurzwelligen 50%-Transmissionspunkt aufweist, treten im kurzwelligen Spektralbereich nur extrem kleine Transmissionsbereiche (bei 680nm) mit einer Transmission von ca. 1% auf. Der langwellige Filter weist einen spektralen Abstand von ca. 220nm von der Wellenlänge mit k = 0.01 zum kurzwelligen 50%-Transmissionspunkt auf. Im Spektralbereich von ca. 700–780nm treten mehrere unerwünschte Transmissionsbereiche mit bis zu 18% Transmission auf. 3c zeigt dieselben Daten mit einer Skala für die Transmission bis nur 10%, um die unerwünschten Transmissionsbereiche besser sichtbar zu machen. In diesem Spektralbereich von 700–780nm ist die Absorption des aSi:H zu niedrig, so dass die unerwünschten Transmissionsbereiche nicht mit Absorption unterdrückt werden können. Nur mit aufwändigeren und dickeren Schichtdesigns könnten diese Transmissionsbereiche eliminiert werden. Erfindungsgemäss können diese Transmissionsbereiche für den langwelligeren Bandpass durch Erhöhen der Wellenlänge, für die Absorption im aSi:H auftritt, unterdrückt werden. Durch Senken des Wasserstoffanteils im Sputtergas auf ein Argon zu Wasserstoffverhältnis von ca. 8:1 wird die Wellenlänge der Absorption um ca. 100nm in den langwelligeren Spektralbereich geschoben (2b). In 3d/e sind zum Vergleich gerechnete Spektren für den langwelligeren Filter mit den Brechwerten aus 2a (gestrichelt) und 2b (durchgezogene Linie) gezeigt. Die gerechneten Spektren sind in sehr guter Übereinstimmung mit den Messergebnissen, wie der Vergleich mit 3b/c zeigt (jeweils gestrichelte Linien). Kleinere Abweichungen in der Form des Transmissionsbereiches sind durch Schichtdickentoleranzen bei der Abscheidung verursacht. Durch den leicht erhöhten Brechwert schiebt der Bandpass leicht zu grösseren Wellenlängen, was problemlos durch eine kleine Designanpassung rückgängig gemacht werden kann. Haupteffekt ist die nahezu komplette Unterdrückung der unerwünschten Transmissionsbereiche im Spektralbereich von ca. 700–780nm, weil der langwellige Filter nun einen spektralen Abstand von ca. 130nm von der Wellenlänge mit k = 0.01 (ca. 800nm) zum kurzwelligen 50%-Transmissionspunkt aufweist. 3e zeigt dieselben Daten mit einer Skala für die Transmission bis nur 10%, um die unerwünschten Transmissionsbereiche besser sichtbar zu machen. Die Transmission ist im Bandpass-Bereich durch Absorption leicht um ca. 4–5% auf der kurzwelligen Seite reduziert, was jedoch üblicherweise in den allermeisten Anwendungen akzeptiert werden kann. Die Kantensteilheiten der gezeigten Bandpässe liegen im Bereich 8–18nm, wie sie in anspruchsvollen Anwendungen üblicherweise gefordert werden. 3a shows the layer structure of two filters, which were optimized for a transmission at approx. 840-890nm or approx. 930-980nm. The first layer is on the substrate and the layer thicknesses are in nanometers. The total layer thicknesses are about 2180nm and 3130nm respectively, the total layer thickness for the aSi: H layers is about 1350nm or 1890nm. The layers were produced at a hydrogen content of 4: 1, k is therefore only for wavelengths below about 700nm over 0.01. The coating temperature remains below 90 ° C, so it is suitable for deposition on sensitive substrates. The layers were post-annealed for 20h at 120 ° C in air, which increased the transmission by 3-4% compared to the unannealed layer systems, with the differences between annealed layers at 100 ° C, 120 ° C and 150 ° C in the Range 1-2%. Due to annealing, the spectral position of the bandpasses only changes by a few nanometers. The layer systems were applied without an antireflection layer on the back of the glass. 3b shows the measured transmission for these two filters, the short-wave filter for the spectral range approximately 840-890nm is shown in solid line, the longer-wavelength filter dashed. For the short-wave filter, which has a spectral distance of approximately 125 nm from the wavelength with k = 0.01 to the short-wave 50% transmission point, only extremely small transmission ranges (at 680 nm) with a transmission of approximately 1% occur in the short-wave spectral range. The long-wavelength filter has a spectral distance of approximately 220 nm from the wavelength with k = 0.01 to the short-wave 50% transmission point. In the spectral range of approx. 700-780nm, several unwanted transmission ranges occur with up to 18% transmission. 3c shows the same data with a scale for the transmission to only 10%, to make the unwanted transmission ranges more visible. In this spectral range of 700-780nm the absorption of the aSi: H is too low, so that the unwanted transmission ranges can not be suppressed with absorption. Only with more elaborate and thicker layer designs could these transmission ranges be eliminated. According to the invention, these transmission ranges for the long wavelength bandpass can be suppressed by increasing the wavelength for which absorption in aSi: H occurs. By lowering the hydrogen content in the sputtering gas to an argon to hydrogen ratio of about 8: 1, the wavelength of the absorption is shifted by about 100 nm into the longer-wave spectral range ( 2 B ). In 3d / e are comparatively calculated spectra for the longer wavelength filter with the refractive indices 2a (dashed) and 2 B (solid line) shown. The calculated spectra are in very good agreement with the results of the measurements, as compared with 3b / c shows (each dashed line). Minor deviations in the shape of the transmission region are caused by layer thickness tolerances in the deposition. The slightly increased refractive power of the bandpass pushes easily to larger wavelengths, which easily undone by a small design adjustment can be. The main effect is the almost complete suppression of the unwanted transmission ranges in the spectral range of about 700-780nm, because the long-wavelength filter now has a spectral distance of about 130nm from the wavelength with k = 0.01 (about 800nm) to the short-wave 50% transmission point. 3e shows the same data with a scale for the transmission to only 10%, to make the unwanted transmission ranges more visible. The transmission is slightly reduced in the bandpass range by absorption by about 4-5% on the shortwave side, but this can usually be accepted in the vast majority of applications. The edge slopes of the bandpasses shown are in the range 8-18nm, as commonly required in demanding applications.

Im Folgenden werden Beispiele für Abscheidungen auf empfindliche Substrate gezeigt. 4a zeigt den Schichtaufbau eines Bandpassfilters auf Zeonex^®. Die erste Schicht befindet sich auf dem Substrat und die Schichtdicken sind in Nanometer angegeben. The following are examples of deposition on sensitive substrates. 4a shows the layer structure of a bandpass filter on Zeonex ^® . The first layer is on the substrate and the layer thicknesses are in nanometers.

Die n und k-Werte des hochbrechenden Materials entsprechen den in 2a angegebenen Dispersionen. Die entsprechende Gesamtdicke beträgt ca. 2100nm, wobei der Anteil der aSi:H-Schichten an der Gesamtschichtdicke ca. 820nm beträgt. Das Schichtsystem wurde ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite aufgebracht. 4b zeigt den gemessenen spektralen Verlauf der Transmission des optischen Filters aus 4a bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) sowie 30° (gestrichelte Linie). Die Schichten wurden nicht nachgetempert. Auf Grund der schlechteren optischen Qualität des Zeonex^®-Substrates und weil die Schichten nicht getempert wurden, erreicht die Transmission nur Werte von ca. 85%. Monitoring-Substrate aus Glas mit Nachtempern weisen deutlich höhere Transmissionsgrade > 92% auf. Die Kantensteilheiten des gezeigten Bandpasses liegt bei ca. 16nm, in diesem Fall gemessen vom 10%-Punkt zum 70%-Punkt wegen der niedrigeren Transmission, wie sie in anspruchsvollen Anwendungen üblicherweise gefordert werden. Beim Einfallswinkel von 30° verschiebt sich der Transmissionsbereich des Bandpasses um knapp unter 20nm, gemessen an den 50%-Punkten der Transmission. The n and k values of the high refractive index material correspond to those in 2a specified dispersions. The corresponding total thickness is about 2100 nm, the proportion of aSi: H layers in the total layer thickness being about 820 nm. The layer system was applied without an antireflection layer on the back. 4b shows the measured spectral curve of the transmission of the optical filter 4a at an angle of incidence of 0 ° (solid line) and 30 ° (dashed line). The layers were not post-annealed. Due to the poorer optical quality of the Zeonex ^® substrate and because the layers were not tempered, the transmission only reaches values of about 85%. Glass-based monitoring substrates with post-curing have significantly higher transmittances> 92%. The edge slopes of the bandpass shown are around 16nm, in this case measured from the 10% point to the 70% point because of the lower transmission typically required in demanding applications. At the angle of incidence of 30 °, the transmission range of the bandpass shifts to just under 20nm, measured at the 50% points of the transmission.

Gemäss einem weiteren Beispiel wurde ein Bandpass auf Photolack realisiert. Das Design ist identisch zum kurzwelligen Bandpassfilter aus 3a. Zur Strukturierung wurde ein Lift-Off Verfahren mit einem Umkehrlack verwendet, andere Lösungen und Verfahren sind aber auch möglich. Vor der Beschichtung wurde auf das Substrat (hier Glas) der Photolack Typ TI35ESx mit Spin-Coating aufgebracht, wobei die Photolack-Dicke ca. 4.5µm betrug. Der Photolack wurde bei 110°C für 90s gehärtet, mit einer Maske strukturiert belichtet und anschliessend für den Umkehrprozess nochmals auf 130°C für 90s aufgeheizt und mit einer Dosis von ca. 1600mJ/cm2 flutbelichtet. Der mit der strukturierten Maske unbelichtete Bereich des Photolacks wird mit dem Entwickler AZ^®326MIF aufgelöst. Danach wurde das so vorbereitete Substrat beschichtet, wobei die Substrattemperatur während der Beschichtung maximal auf 80–90°C stieg. Danach wurde der Photolack mit NEP aufgelöst und so die Beschichtung auf dem Photolack vom Substrat entfernt. According to another example, a bandpass on photoresist was realized. The design is identical to the shortwave bandpass filter 3a , For structuring, a lift-off process with a reverse varnish was used, but other solutions and procedures are also possible. Prior to coating, the TI35ESx type T-coated photoresist was spin-coated onto the substrate (here, glass) with a photoresist thickness of approximately 4.5 μm. The photoresist was cured at 110 ° C. for 90 s, exposed in a structured pattern to a mask and then heated again to 130 ° C. for 90 s for the reversal process and flooded with a dose of about 1600 mJ / cm 2. The unexposed area with the patterned mask of the photoresist is dissolved with the developer AZ 326MIF ^®. Thereafter, the thus prepared substrate was coated, whereby the substrate temperature during the coating rose to a maximum of 80-90 ° C. Thereafter, the photoresist was dissolved with NEP to remove the coating on the photoresist from the substrate.

Die Strukturgrenzen sind sauber und zeigen keine Ausfransungen. Auf Grund von Abschattungseffekten, die beim Lift-Off-Verfahren unvermeidlich sind und typischerweise mit der Photolack-Dicke skalieren, zeigt sich im Filterbereich ein Farbverlauf mit einer Breite von ca. 7–10µm, die Kanten der Beschichtung sind sehr sauber mit einer Kantenrauigkeit von < 1µm. Die Lackdicke konnte auf Grund der kleinen Schichtdicke des Filtersystems klein gewählt werden: Ist das Filtersystem zu dick im Vergleich zur Photolack-Dicke, so ist ein sauberer Lift-Off schwierig und es entstehen unsaubere Kanten entlang der Strukturen mit Ausfransungen. Die minimale Strukturgrösse liegt deutlich unter 100µm, 50µm kleine Strukturen sind problemlos umsetzbar unter Berücksichtigung der nicht-optimalen optischen Eigenschaften des Filters im erwähnten Abschattungsbereich am Rand mit einer Breite von ca. 7–10 µm. The structure boundaries are clean and show no fraying. Due to shading effects, which are unavoidable in the lift-off process and typically scale with the photoresist thickness, a color gradient with a width of approx. 7-10 μm appears in the filter area, the edges of the coating are very clean with an edge roughness of <1μm. Due to the small layer thickness of the filter system, the paint thickness could be made small: If the filter system is too thick compared to the photoresist thickness, a clean lift-off is difficult and unclean edges occur along the structures with fraying. The minimum structure size is well below 100μm, 50μm small structures are easily implemented considering the non-optimal optical properties of the filter in the aforementioned shading area at the edge with a width of about 7-10 microns.

In 5 ist die Transmission für unpolarisiertes Licht in Prozent in Abhängigkeit der Wellenlänge (in Nanometer) gezeigt. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf die Messung bei 0° und ist identisch mit der Kurve für den kurzwelligen Bandpass aus 3b. Die Winkelabhängigkeit der Transmission ist für die Winkel 30° (gepunktet), 40° (gestrichelt) und 50° (strich-punktiert) gezeigt. Die Zentralwellenlänge des Bandpasses, definiert als Mittelwert der Wellenlängen beim 50%-Transmissionspunkt, schiebt bei einem Winkel von 30° um ca. 13nm. Der Bandpass weist auch bei einem Winkel von 50° sehr gute spektrale Eigenschaften auf. In 5 the transmission for unpolarized light is shown in percent as a function of the wavelength (in nanometers). The solid line refers to the measurement at 0 ° and is identical to the curve for the short-wave bandpass 3b , The angular dependence of the transmission is shown for the angles 30 ° (dotted), 40 ° (dashed) and 50 ° (dash-dotted). The center wavelength of the bandpass, defined as the average of the wavelengths at the 50% transmission point, shifts by approximately 13nm at an angle of 30 °. The bandpass has very good spectral properties even at an angle of 50 °.

Auch dickere Filterschichtsysteme mit einer Gesamtdicke von zum Beispiel ca. 3130nm, gemäss dem langwelligeren Bandpass aus 3a, wurden auf diese Weise realisiert und strukturiert. Also thicker filter layer systems with a total thickness of, for example, about 3130nm, according to the longer wavelength bandpass 3a , were realized and structured in this way.

Eine Anwendung für diesen mit Lift-Off strukturierten Bandpass-Filter ist der oben beschriebene Abstandssensor mit Transmissions-Filter für die Unterdrückung von Licht mit unerwünschten Wellenlängen. Heutiger Stand der Technik ist, dass der Filter auf einem grossen Glassubstrat (100–200mm Kantenlängen oder auch runde Glassubstrate) aufgetragen, mit einer Vereinzelungstechnik auf das gewünschte, typischerweise sehr kleine Mass (im Bereich weniger Quadratmillimeter bis zu ca. einem Quadratzentimeter) zugeschnitten und mit dem Sensor verklebt wird. Diese Arbeitsschritte der Vereinzelung und des Verklebens sind aufwändig und teuer. Eine direkte Abscheidung des Filters auf dem elektrisch aktiven und strukturierten Siliziumwafer mit einer grossen Zahl von Sensorelementen erlaubt eine kostengünstigere Herstellung. Diese Methode erfordert jedoch eine Strukturierung des Filters, zum Beispiel mit Lift-Off, wofür wiederum eine Abscheidung bei niedrigen Temperaturen nötig ist. Der Sensor besteht üblicherweise aus kristallinem Si als Detektormaterial mit einer Reihe von Schichten aus SiO₂ und Si₃N₄ oder Mischungen daraus als Abdeckung. Das Schichtdesign des Filters muss auf diesen Aufbau des Sensor-Elements angepasst werden, um die optimalen Eigenschaften zu erreichen: Maximale Einkopplung des Lichts im Bandpass-Bereich in den Silizium-Detektor und minimale Transmission durch den Filter in den anderen Spektralbereichen. One application for this lift-off structured bandpass filter is the above-described transmittance filter for suppression of unwanted wavelength light. Today's state of the art is that the filter is applied to a large glass substrate (100-200 mm edge lengths or even round glass substrates) with a singulation technique to the desired, typically very small size (in the range of a few square millimeters up to approx Square centimeter) and bonded to the sensor. These steps of singulation and bonding are complex and expensive. A direct deposition of the filter on the electrically active and structured silicon wafer with a large number of sensor elements allows a more cost-effective production. However, this method requires structuring of the filter, for example with lift-off, which in turn requires deposition at low temperatures. The sensor is usually made of crystalline Si as a detector material with a series of layers of SiO ₂ and Si ₃ N ₄ or mixtures thereof as a cover. The layer design of the filter must be adapted to this structure of the sensor element in order to achieve the optimum properties: maximum coupling of the light in the bandpass area in the silicon detector and minimal transmission through the filter in the other spectral ranges.

Mit dem beschriebenen Verfahren wurden auch Bandpässe mit kleinerer Bandbreite (Breite zwischen den 50%-Punkten zum Beispiel ca. 30nm) und grösserer Bandbreite (zum Beispiel 90nm) hergestellt. Anpassung der Designs an die jeweils nötigen Anforderungen der Anwendung sind möglich und Stand der Technik. Weiterhin ist es auch vorstellbar, Filterdesigns mit mehr als zwei Materialien zu verwenden. Insbesondere bei der Kombination aus SiO₂ und aSi:H bietet es sich an, auf der Basis von SiOxNy/Si₃N₄ Schichten mit einem mittleren Brechwert (Si₃N₄ weist einen Brechwert von ca. 2.0 bei 800nm auf) einzusetzen, weil diese Materialien einfach durch Zufuhr von Stickstoff in den Sputterprozess hergestellt werden können. With the described method also bandpasses with smaller bandwidth (width between the 50% points for example about 30nm) and larger bandwidth (for example 90nm) were produced. Adaptation of the designs to the respective requirements of the application are possible and state of the art. Furthermore, it is also conceivable to use filter designs with more than two materials. Particularly in the case of the combination of SiO ₂ and aSi: H, it is advisable to use ₄ layers with an average refractive index (Si ₃ N ₄ has a refractive index of about 2.0 at 800 nm) based on SiO x N y / Si ₃ N, because These materials can be easily prepared by feeding nitrogen into the sputtering process.

Neben Bandpassfiltern sind auch andere Filter und optische Schichtsysteme herstellbar. Ein weiteres Beispiel zeigt einen Infrarotspiegel. Das Design ist in 6a angegeben, wobei die erste Schicht sich auf dem Substrat befindet und die Schichtdicken in Nanometern angegeben sind. Der Brechwert entspricht dem Brechwert aus 2a. Die Gesamtschichtdicke des Schichtsystems beträgt nur 1070nm, während ein vergleichbares Schichtsystem auf der Basis von SiO₂ und Nb₂O₅ eine Gesamtschichtdicke von ca. 3720nm aufweist. Die 6b zeigt die Reflexion des Schichtsystems aus 6a im Vergleich zur Reflexion des Schichtsystems auf der Basis von SiO₂ und Nb₂O₅. Das System mit aSi:H weist auf Grund der Absorption einen minimal niedrigeren Reflexionsgrad auf, dafür ist der spektrale Bereich mit hoher Reflexion wesentlich breiter als beim System auf der Basis von Nb₂O₅. In addition to bandpass filters, other filters and optical layer systems can be produced. Another example shows an infrared mirror. The design is in 6a indicated, wherein the first layer is located on the substrate and the layer thicknesses are given in nanometers. The refractive power equals the refractive power 2a , The total layer thickness of the layer system is only 1070 nm, while a comparable layer system based on SiO ₂ and Nb ₂ O _{5 has} a total layer thickness of about 3720 nm. The 6b shows the reflection of the layer system 6a in comparison to the reflection of the layer system based on SiO ₂ and Nb ₂ O ₅ . The system with aSi: H has a slightly lower reflectance due to the absorption, but the spectral region with high reflection is much wider than in the system based on Nb ₂ O ₅ .

Wichtig für die Anwendung ist auch die hervorragende Stabilität des Filters gegen Umwelteinflüsse. Die Beschichtungen wurden verschiedenen Umwelt-Beständigkeitstests unterzogen und bestehen diese Tests. Folgende Tests wurden durchgeführt: 1000 Zyklen Temperaturwechsel von –40°C auf +125°C mit einer Verweilzeit von jeweils 30 Minuten bei den angegebenen Temperaturen und < 60s Wechselzeit zwischen den Temperaturen; 1000h Dauerbelastung bei 125°C an Luft; 1000h Dauerbelastung bei 80°C und 85% relative Luftfeuchtigkeit; 24h Salznebeltest mit 5% Salzgehalt. Tempern bei hohen Temperaturen, sofern das Substrat dies zulässt, z.B. 70 Minuten bei 300°C an Luft, beeinflussen die spektralen Eigenschaften der Bandpässe so gut wie nicht mit einer Ausnahme der Verschiebung der spektralen Lage des Bandpasses von wenigen Nanometern in der Wellenlänge. Important for the application is also the excellent stability of the filter against environmental influences. The coatings have undergone various environmental resistance tests and pass these tests. The following tests were carried out: 1000 cycles temperature change from -40 ° C to + 125 ° C with a residence time of 30 minutes at the indicated temperatures and <60s change time between the temperatures; 1000h continuous load at 125 ° C in air; 1000h continuous load at 80 ° C and 85% relative humidity; 24h salt spray test with 5% salinity. Annealing at high temperatures, if the substrate permits, e.g. 70 minutes at 300 ° C in air, affect the spectral properties of the band passes almost not with the exception of the shift of the spectral position of the bandpass of a few nanometers in wavelength.

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Claims

Optical filter having a transmissive and / or reflective spectral range above a wavelength of 600 nm, comprising - a substrate from the following group: glass, plastic substrate, plastic-coated substrates, wafers and wafer-like substrates - a thin film alternating layer system applied to at least one side of the substrate wherein the thin-film alternating layer system alternately comprises layers with a high refractive index material and layers with a low refractive index material, wherein the high refractive index material is aSi and / or aSi: H, characterized in that the imaginary part k of the complex refractive index of the high refractive index material in the transmitting spectral range larger is 0.0005 and preferably k> 0.001.

Optical filter according to claim 1, characterized in that the imaginary part k of the complex refractive index of the high refractive index material in the wavelength range from 420 nm to 600 nm is greater than 0.05.

Optical filter according to one of claims 1 or 2, characterized in that the thin-film alternating layer has a total thickness of less than 3500nm, preferably less than 3000nm and more preferably less than 2500nm.