DE2338019C3

DE2338019C3 - Verfahren zur Herstellung nur der aus einem zu Inhomogenitäten neigenden Material bestehenden Lambda-Halbe-Schicht eines Anticeflexionsfilms

Info

Publication number: DE2338019C3
Application number: DE2338019A
Authority: DE
Inventors: Kunio Hachioji Tokyo Sakurai
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1972-07-27
Filing date: 1973-07-26
Publication date: 1981-08-20
Also published as: DE2338019A1; JPS4934334A; DE2338019B2; GB1439537A; JPS5133751B2; US4264133A

Description

P =

N₀

1,965
2,Ί

(gemessen für eine Teilschichtdicke von λ/2) mit N„ = Brechungsindex im Grenzbereich zur ersten Lage (ΙΓ) und Nb — Brechungsindex im Grenzbereich zur λ/4-Schicht (F i g. 10).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilschicht (ΙΓ) aus drei Lagen aufgebaut wird, wobei für die erste und dritte Lage ein hoher (Nh) und die mittlere Lage ein niedriger Brechungsindex (Nl) gewählt werden (Fig. 11).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Teilschicht (Γ) ZrO₂ in einer Dicke von 0,408 λ aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, bei welchem ein Substrat mit einem Brechungsindex von 1,52 und als λ/4-Schicht MgF₂ verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß als erste und dritte Lage (V, III) CeO2 in einer Dicke von 0,059 λ und als mittlere Lage (IV) MgF₂ in einer Dicke von 0,058 λ aufgebracht werden (F i g. 12).

7. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, bei welchem ein Substrat mit einem Brechungsindex von 1,72 und als λ/4-Schicht MgF₂ verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß als erste und dritte Lage (V, III) CeO₂ in einer Dicke von 0,059 λ und als mittlere Lage (IV) MgF₂ in einer Dicke von 0,03 A aufgebracht werden (F i g. 13).

.8. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem ein Substrat mit einem Brechungsindex von 1,72 und als λ/4-Schicht MgF₂ verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Lage (V) ZrO₂ in einer Dicke von 0,059 λ, als mittlere Lage MgF₂ in einer Dicke von 0,03 λ und als dritte Lage einschließlich der zweiten Teilschicht (V) ZrO₂ in einer Dicke von 0,474 λ aufgebracht werden (F i g. 14).

9. Verfahren zur Herstellung nur der aus einem zu Inhomogenitäten neigenden Material bestehenden, im Vergleich zum Substrat und zu den λ/4-Schichten hochbrechenden, λ/2-Schicht eines λ/4-λ/2-λ/4-Αηΰ-reflexionsfilmes auf einem durchsichtigen Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß auf die substratseitige λ/4-Schicht (IV) eine erste Teilschicht (III) mit einer Dicke kleiner als λ/2 und auf die erste Teilschicht (III) eine zweite Teilschicht (II), deren Brechungsindex (TVh) größer als derjenige (Nm) der ersten Teilschicht (III) ist, unter Messung des Reflexionsvermögens der zusammengesetzten Schicht (III, II) so lange aufgebracht wird, bis dieses ein Minimum (R'_min) durchläuft (F ig. 15).

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem ein Substrat mit einem Brechungsindex von 1,52, als substratseitige λ/4-Schicht (IV) Al₂O₃ und als luftseitige λ/4-Schicht (I) MgF₂ verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Teilschicht (III) ZrO₂ in einer Dicke von 0354 λ mit ρ = 0,93 und als zweite Teilschicht (II) TiO₂ in einer Dicke von 0,364 λ aufgebracht werden, wobei gilt:

N_b 1,965

(gemessen für eine Teilschichtdicke von λ/2) mit N₃ = Brechungsindex im Grenzbereich zur substratseitigen λ/4-Schicht und Nb = Brechungsindex im Grenzbereich zur zweiten Teilschicht (II) (Fig. 15).

35 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung der aus einem zu Inhomogenitäten neigenden Material bestehenden λ/2-Schicht eines A/2-A/4-Antireflexionsfilmes auf einem durchsichtigen Substrat.

Das Aufbringen derartiger Antireflexionsfilme auf ein durchsichtiges Substrat ist bekannt, v/obei der Brechungsindex der λ/2-Schicht an seinen jeweiligen Grenzflächen zum Substrat bzw. zur λ/4-Schicht größer als derjenige der angrenzenden Schiebt ist. In der Regel ist es zwar erwünscht, daß als Antireflexionsüberzüge dienende aufgedampfte Filme optisch homogen sind.

Wenn jedoch das Substrat, z. B. optisches Glas, zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Filmes auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden muß, ist oftmals zu beobachten, daß der Film infolge der Hitzeeinwirkung inhomogen wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich der Brechungsindex des Filmes mit zunehmender Filmdicke ändert. Der Verlauf und das Ausmaß einer derartigen Inhomogenität können je nach den verwendeten Materialien und den Aufdampfbedingungen sehr verschieden sein. Das Maß der Inhomogenität einer einzelnen Schicht wird durch die Beziehung

N₁
N_n

(D

65 beschrieben, wobei M, = Brechungsindex an der substratoberflächenfernen Seite der Schicht und N₃ = Brechungsindex an der dem Substrat zugewand-

ten Seite der Schicht gilt. Ferner wird hierbei von einer Schichtdicke vonA/2 ausgegangen. Wenn ρ = 1, handelt es sich um einen homogenen Film.

Wenn beispielsweise auf ein Substrat eine Zirkon-OXId(ZrO₂)- oder Ceroxid(CeO₂)-Schicht die beide bekanntermaßen einen hohen Brechungsindex aufweisen, aufgedampft werden, nimmt der Brechungsindex der Schicht mit zunehmender Schichtdicke stark ab.

Wenn also Zirkonoxid als Material für die λ/2-Schicht eines A/2-A/4-Filmes verwendet wird, ist die Zirkonoxidschicht relativ dick und muß einen hohen Brechungsindex aufweisen. Da jedoch der Brechungsindex mit zunehmender Schichtdicke niedriger wird, wird das Reflexionsvermögen des gesamten Antireflexionsfilmes bei der zentralen Wellenlänge Ao außerordentlich stark erhöht Dadurch werden die Eigenschaften des Antireflexionsfiimes nachteilig beeinträchtigt

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung der aus einem zu Inhomogenitäten neigenden Material bestehenden λ/2-Schicht eines A/4-A/2-A/4-Anfireflexionsfilmes auf einem durchsichtigen Substrat

Der Aufbau derartiger Filme ist bekannt, wobei gewöhnlich der Brechungsindex des Substrates kleiner als derjenige der substratseitigen λ/4-Schicht deren Brechungsindex wiederum kleiner als derjenige im angrenzenden Bereich der A/2-Schicht und der Brechungsindex der luftseitigen λ/4-Schicht ebenfalls kleiner als derjenige im angrenzenden Bereich der λ/2-Schicht ist

Auch bei einem derartig dreischichtig aufgebauten Antireflexionsfilm bestehen die bereits zuvor im Zusammenhang mit der Neigung des Materials zu Inhomogenitäten erörterten Probleme. Diesen Problemen wurde bei der Ausarbeitung von Entwürfen für den Aufbau mehrschichtiger Antireflexionsfilme bisher kaum Beachtung geschenkt, so daß zwischen den Ergebnissen von Versuchen mit fertigen optischen Körpern und den theoretisch vorhersagbaren spektroskopischen Eigenschaften mehrschichtiger Filme große Differenzen klafften. Dies wirkte sich natürlich nachteilig auf den Aufbau und die Herstellung derartiger Filme aus.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren zur Herstellung eines λ/2-λ/4- bzw. λ/4-λ/2-λ/4-Antireflexionsfilmes derart zu verbessern, daß das resultierende Reflexionsvermögen des durch das Verfahren hergestellten Antireflexionsfilmes über einen breiten Wellenlängenbereich, insbesondere im Bereich der zentralen Wellenlänge stark erniedrigt wird.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines A/2-A/4-AntirefIexionsfilmes dadurch gelöst daß erfindungsgemäß auf das Substrat eine erste Teilschicht mit einer Dicke kleiner als λ/2 und auf die erste Teilschicht eine zweite Teilschicht deren Brechungsindex größer als derjenige der ersten Teilschicht ist, unter Messung des Reflexionsvermögens der zusammengesetzten Schicht so lange aufgebracht wird, bis dieses ein Minimum durchläuft, gelöst

Bei dem gattungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines λ/4-λ/2-λ/4-Antireflexionsfilmes wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß auf die substratseitige λ/4-Schicht eine erste Teilschicht mit einer Dicke kleiner als λ/2 und auf die erste Teilschicht eine zweite Teilschicht, deren Brechungsindex größer als derjenige der ersten Teilschicht ist, unter Messung des Reflexionsvermogens der zusammengesetzten Schicht so lange aufgebracht wird, bis dieses ein Minimum durchläuft

Diese Lösung hat den Vorteil, daß die spektroskopischen Eigenschaften durch geeignete Wahl der Teilschichten von vorneherein festlegbar sind und keine Lücke zwischen den Ergebnissen von Versuchen mit dem fertigen Film und dessen mathematisch vorhersagbaren spektroskopischen Eigenscharten klafft

Anhand der folgenden Ausführungsbeispiele und Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen vergrößert dargestellten Querschnitt durch eine bekannte, inhomogene, aufgedampfte λ/2-Schicht,

Fig.2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der optischen Schichtdicke und dem Reflexionsvermögen der λ/2-Schicht gemäß F i g. 1,

Fig.3 einen vergrößert dargestellten Querschnitt durch ein erstes Prinzipbeispiel eines erfindungsgemäßen zweischichtigen Aufbaues der Λ/2-Schicht eines Antireflexionsfilmes,

Fig.4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Schichtdicke und dem Reflexionsvermögen der λ/2-Schicht gemäß F i g. 3,

Fig.5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Schichtdicke der ersten Teilschicht und der zweiten Teilschicht der λ/2-Schicht gemäß F i g. 3,

F i g. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Schichtdicke der zweiten Teilschicht und der resultierenden Inhomogenität (Äquivalentinhomogenität) der gesamten λ/2-Schicht gemäß F i g. 5,

F i g. 7 einen vergrößert dargestellten Querschnitt durch ein zweites Prinzipbeispiel eines erfindungsgemäßen zweischichtigen Aufbaues der λ/2-Schicht des Antireflexionsfilmes,

Fig.8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Schichtdicke und dem Reflexionsvermögen des zweiten Prinzipbeispiels gemäß F i g. 7,

Fig.9 und 10 schematische Darstellungen einer ersten und einer zweiten Ausführungsform für einen λ/2-λ/4-ΡΠπι, wobei die λ/2-Schicht gemäß dem zweiten Prinzipbeispiel aufgebaut ist und (a) jeweils einen vergrößerten Querschnitt durch den aufgedampften Antireflexionsfilm und (b) jeweils eine graphische Darstellung der resultierenden Reflexionsverteilung veranschaulichen,

Fig. 11 einen dreilagigen Aufbau der ersten Teilschicht der λ/2-Schicht, wobei (a) einen vergrößerten Querschnitt durch die Teilschicht und (b) eine graphische Darstellung der Änderung des resultierenden Brechungsindex (Äquivalentbrechungsindex) der ersten Teilschicht in Abhängigkeit von der optischen Dicke der mittleren Lage veranschaulichen,

Fig. 12 bis 14 schematische Darstellungen einer dritten, einer vierten und einer fünften Ausführungsform eines λ^-λΜ-ΑηύΓεΠεχίοηβΠΙη^, wobei die λ/2-Schicht gemäß dem zweiten Prinzipbeispiel und die erste Teilschicht gemäß F i g. 11 aufgebaut ist und ferner (a) jeweils einen vergrößerten Querschnitt durch den aufgedampften Antireflexionsfilm und (b) die resultierende Reflexionsverteilung des Antireflexionsfilmes veranschaulichen,

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines Antireflexionsfilmes bzw. einer ersten Ausführungsform eines λ/4-λ/2-λ/4-ΑηΙΪΓεΠε-xionsfilmes, wobei die λ/2-Schicht gemäß dem ersten Prinzipbeispiel und die erste Teilschicht gemäß Fig. 11

aufgebaut ist und ferner (a) einen vergrößerten Querschnitt des aufgedampften Antireflexionsfilmes und (b) eine graphische Darstellung der resultierenden Reflexionsverteilung veranschaulichen.

Die bekannte, in den F i g. 1 und 2 veranschaulichte λ/2-Schicht besteht aus einer einzigen Schicht F, deren optische Dicke genau λ/2 beträgt. Die Schicht Fist auf das Substrat Smit dem Brechungsindex N_s aufgedampft. Die Inhomogenität der Schicht Fist durch die eingangs genannte Gleichung 1 gegeben.

Wird nun eine Schicht F auf das Substrat aufgedampft, deren Brechungsindex größer als der des Substrates ist, dann ändert sich das Reflexionsvermögen R des Filmes bei der Wellenlänge λο (Standardarbeitswellenlänge, z. B. die Wellenlänge im Zentrum des sichtbaren Wellenlängenbereiches) entsprechend Fig.2, Kurve 10. Demgemäß zeigt das Reflexionsvermögen ein Maximum R_max, wenn die Schichtdicke ND = 1/4 λο ist Ein Minimum R_mj„ wird erreicht, wenn die Filmdicke ND = 1/2 Ao ist Zwischen dem Minimum des Reflexionsvermögens R_mm und der Inhomogenität ρ der Schicht gilt folgende Beziehung (vgl. A. Vasicek, »Optics of Thin Films«, North-Holland Publishing Company, Amsterdam, 1960, S. 152: Meysingsche Gleichung):

-R_min)

(2)

Unter Berücksichtigung der Fresnelschen Gleichung für das Reflexionsvermögen ergibt sich dann:

wenn ρ = 1: R_mi„ = Rs(Fig. 2, Kurve 10b),
wenn ρ < 1: R_mi„ < Rs (F i g. 2, Kurve 1Or),
wenn ρ > 1: R_mi„ > Rs(Fi g. 2, Kurve 10a),

wobei Rs das Reflexionsvermögen des Substrats bedeutet

Die obengenannten Beziehungen gelten für einen einschichtigen homogenen (ρ=1) oder inhomogenen (ρ^Ι) Schicht einer optischen Dicke von genau A/2, wobei die Brechungsindices der λ/2-Schicht an den beiden Grenzbereichen jeweils größer als die der angrenzenden Medien sind, so daß an den Grenzflächen eine unterschiedliche Phasenverschiebung auftritt.

Ferner gilt für einen λ/2-λ/4- oder λ/4-λ/2-λ/4-Antireflexionsfilm, bei welchem die λ/2-Schicht in bekannter Weise aus einer einzigen Schicht besteht daß das resultierende Reflexionsvermögen des Antireflexionsfil

kleiner wird, wenn ρ > 1
größer wird, wenn p < 1.

und

Die anhand der Fig.3 bis 15 dargestellte erfindungsgemäß aus wenigstens zwei Teilschichten zusammengesetzte λ/2-Schicht ist dazu bestimmt einen dem oben erläuterten Wert R_n^_n entsprechenden Wert R'_mi„ zu erzeugen, und zwar durch Kombination von mindestens zwei aufgedampften Teilschichten. Hierbei wird die aus Teilschichten zusammengesetzte λ/2-Schicht als eine Schicht betrachtet deren resultierende Inhomogenität durch Änderung einer der Teilschichten herbeigeführt wird.

Obwohl diese erfindungsgemäß aufgebaute λ/2-Schicht einen etwas anderen Charakter als die in F i g. 1 dargestellte λ/2-Schicht hat hat sich gezeigt daß der Wert ÜU der erfindungsgemäßen λ/2-Schicht im wesentlichen den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie R_mm

der bekannten λ/2-Schicht genügt und darüber hinaus das Antireflexionsverhalten des erfindungsgemäßen Filmes im wesentlichen in gleicher Weise von R'_mm abhängig ist, wie das Reflexionsvermögen des bekannten Filmes von Rmin-

In F i g. 3 ist ein erstes Prinzipbeispiel für eine erfindungsgemäß aufgebaute λ/2-Schicht dargestellt Die λ/2-Schicht besteht aus einer ersten, auf dem Substrat S aufliegenden Teilschicht II mit einem Brechungsindex A/n und einer zweiten Teilschicht I mit einem Brechungsindex Ni, wobei gilt N»>N_S. Aus Vereinfachungsgründen werden die erste und die zweite Teilschicht als homogene Filme betrachtet Wenn die zweite Teilschicht I auf die erste Teilschicht II (deren Dicke ist kleiner als 1/2 λο) aufgedampft wird, erhält man einen Minimumreflexionswert R'mm entsprechend dem obengenannten Minimumreflexionswert R_mi„ eines einschichtigen Filmes der Dicke von genau 1/2Ao, wenn sich die aus den optischen Dicken der beiden Teilschichten I und II ergebende Summe ungefähr den Wert 1/2 λ₀ hat

Dies ist in F i g. 4 anhand der Kurven 1 la — R'_mm liegt hierbei einem Wert kleiner als 1/2Ao — und 116 — R'_mm liegt hier bei einem Wert größer als 1/2 A₀ — graphisch dargestellt.

Für R'_mm gilt:

wenn N₁ > N₁₁: R^_in > Ks(VgI. Fig. 4, Kurve lla)

wenn N₁ < N_n: R^„ < Rs(VgI. F i g. 4, Kurve lib)

Selbst wenn Ni<Nu und Nn>Ni ■ Ns und wenn ferner im Hinblick auf die Filmdicke NDn der ersten Schicht II folgende Beziehung gegeben ist:

2.-7 ND_n

-J)

ist der Minimumreflexionswert R'min durch die Formel (3) gegeben; dies ist jedoch in der Praxis von nur geringer Bedeutung.

Im Falle der Ungleichung (3) erhöht sich der Wert von R'min proportional zur Zunahme des Wertes von JVi; bei der Ungleichung (4) sinkt der Wert von R'_mi„ mit einer Abnahme des Wertes JVi. Je größer in beiden Fällen die Schichtdicke der zweiten Teilschicht I ist desto deutlicher ist der Einfluß der zweiten Teilschicht 1 auf den Wert J? 'min-

Dasselbe gilt auch für den Fall, daß die erste Teilschicht II inhomogen ist Bei Benutzung des Brechungsindex der ersten Tei'schicht I! auf der Luftseite, d.h. an der Grenzfläche zur zweiten Teilschicht I, anstelle des Brechungsindex JVn und des in der ersten Teilschicht bei 1/2 λο erzeugten Maximumreflexionswertes anstelle des Reflexionsvermögens J?sdes Substrats gelten für den Fall, daß die erste Teilschicht II aus einem inhomogenen Film besteht die beiden Gleichungen (1) und (2). Folglich ändert sich die resultierende Inhomogenität der gesamten λ/2-Schicht die auch Äquivalentinhomogenität genannt wird, in gleicher Weise wie im vorhergehenden Falle, bei dem beide Teilschichten als homogene Filme angesehen -wurden.

In diesem Sinne kann die erste Teilschicht II, deren Inhomogenität korrigiert werden muß, als Grundschicht und die zweite Teilschicht I, welche die Inhomogenität

der Grundschicht korrigiert bzw. einstellt, als Inhomogenitätseinstellschicht bezeichnet werden. Diese Ausdrücke werden im folgenden synonym zur ersten bzw. zweiten Teilschicht verwendet.

Anhand der F i g. 5 und 6 wird das anhand der F i g. 3 und 4 erläuterte erste Prinzipbeispiel noch näher erläutert.

Die erste Teilschicht II entspricht der obengenannten Grundschicht und besteht aus einem Zirkonoxidfilm, dessen Brechungsindex yViia an der Grenzfläche zum Substrat 5 — bei einer Schichtdicke von etwa 1/2 A₀ — 2,1 und dessen Brechungsindex jVnb auf der Luftseite (d. h. an der Grenzfläche zur zweiten Teilschicht I) 1,965 ist. Daraus ergibt sich eine Inhomogenität ρ der ersten Teilschicht II von etwa 0,93. Die zweite Teilschicht I besteht aus einem aufgedampften Titanoxidfilm, und entspricht der die Heterogenilät bzw. Inhomogenität einstellenden Schicht, wobei die optischen Teilschichtdicken NDi und NDu der zweiten und ersten Teilschichten entsprechend der Kurve 12 in Fig. 5 gewählt wurden Die resultierende Inhomogenität bzw. Äquivalentinhomogenität ρ' der aus den beiden Teikchichten zusammengesetzten Schicht ergibt sich aus Kurve 13 in Fig. 6.

In Fig. 7 ist ein zweites Prinzipbeispiel einer erfindungsgemäß aus Teilschichten zusammengesetzten λ/2-Schicht dargestellt. Im zweiten Prinzipbeispiel ist die Anordnung von Grundschicht und Inhomogenitätseinstellschicht gerade umgekehrt wie beim ersten Prinzipbeispiel. In diesem Fall ist also die zweite Teilschicht Γ die Grundschicht und die erste Teilschicht II' die InhomogenitätseinstellschichL

Wenn die erste Teilschicht IP mit einer Dicke, die der Dicke der Innomogenitätseinstellschicht (erste Schicht in Fig. 3) des vorangehenden Beispiels entspricht, auf das Substrat aufgebracht und auf diese dann die zweite Teilschicht P als Grundschicht aufgedampft wird, erhält man das Minimum der Reflexion R'mm. wenn die Gesamtdicke der beiden Teilschichten etwa 1/2A₀ ist. Dies ist in F i g. 8, Kurve 14a — hier liegt R'_mm bei einer Schichtdicke > A₀ — und Kurve 146 — hier liegt R'mm bei einer Schichtdicke </?1/2A₀ — dargestellt. Dies Verhalten ist, wie im vorangegangenen Beispiel, auf die Dicke/Reflexions-Eigenschaften zurückzuführen.

Unter der Annahme, daß beide Teilschichten homogen sind,gilt:

wenn N₁ > N_n > N₁: R,'_ni„ > Rs

(Fig. 8, Kurve 14a) (5)

wenn N₁₁ < N₁ oder N₁₁ > N₁ ■ N_%: R_m,„ < Rs
(Fig. 8, Kurve 14b) (6)

und wenn ferner im Hinblick auf die optische Dicke der

ersten Teilschicht NDiy folgende Beziehung gilt:

(Nf₁-N^)(Nf₁-Nf)

ist der Minimumreflexionswert R'_min durch die Gleichung (3) gegeben. Dies ist in der Praxis jedoch kaum von Bedeutung.

Da R'_mi„ entsprechend dem Brechungsindex Wn· und der optischen Dicke NDw der ersten Teilschicht IP wie im vorangegangenen Beispiel variiert werden kann, ist es möglich, die resultierende Inhomogenität der A/2-Schicht bzw. die Äquivalentinhomogenität g' analog der Gleichung (2) zu ändern.

Auch wenn die zweite Teilschicht P aus einem inhomogenen Film besteht, gilt die genannte Beziehung in gleicher Weise, wie beim vorangegangenen ersten Prinzipbeispiel. In diesem Fall wird jedoch der Brechungsindex an der Grenzfläche zum Substrat hin anstelle von Wi benutzt.

Die der Ungleichung (5) genügende erste Teilschicht IP hat einen Brechungsindex, der weder einen sehr hohen noch einen sehr tiefen Wert, sondern einen dazwischenliegenden Wert aufweist. Statt aus einer einzigen Lage kann daher die erste Teilschicht IP aus zwei unterschiedlichen Lagen aufgebaut werden, von denen die eine einen hohen und die andere einen tiefen Brechungsindex aufweist

Bei den beiden bisher geschilderten Prinzipbeispielen haftet die erfindungsgemäß aus Teilschichten aufgebaute A/2-Schicht unmittelbar fest auf dem Substrat. Die mit der erfindungsgemäß aufgebauten A/2-Schicht erzielten Vorteile lassen sich auch bei einem A/4-A/2-A/4-Aufbau eines Antirefiexionsfilmes erzielen.

Wählt man ferner den Brechungsindex und die optische Dicke der Inhomogenitätseinstellschicht so, daß der Minimumreflexionswert R'_m„ der A/2-Schicht mit dem Reflexionsvermögen Rs des Substrats übereinstimmt, dann wird die resultierende Inhomogenität bzw. Äquivalentinhomogenität praktisch eins. Diese bedeutet, daß man eine zusammengesetzte Schicht herstellen kann, die praktisch einem einschichtigen homogenen Film entspricht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, in welchen die A/2-Schicht gemäß dem zweiten Prinzipbeispiel aufgebaut ist werden in den Fig. 9 bis 14 dargestellt. Ein Ausführungsbeispiel, in welchem die A/2-Schicht gemäß dem ersten Prinzipbeispiel aufgebaut ist. wird in der Fig. 15 dargestellt.

In Fig. 9(a) und (b) ist eine erste dreischichtige Ausführungsform dargestellt, deren optische Eigenschaften und Zusammensetzung in der folgenden Tabelle I zusammengestellt sind:

Tabelle 1

Erste Schicht

Zweite Schicht Dritte Schicht

Optische Filmdicke ND
Refraktionsindex
Aufgedampftes Material

0,25 2o	0,412 Λ,	0,15 A₀
U8	2,05	1,80
MgF₂	ZrO₂	La₂O₃

Λ'ϊ = 1,52.
/ο = 500 m;z.

Bei dieser Ausführungsform ist die zusammengesetzte Schicht (zweischichtiger Aufbau entsprechend dem zweiten Prinzipbeispiel) als 1/2 Ao-Schicht des beschriebenen zweischichtigen Antireflexionsfilms-Prototyps (Filmdicke: 1/4 A₀ + 1/2 A₀) vorgesehen. Die zweite Schicht der zusammengesetzten Schicht ist die Grundschicht, die erste Schicht ist die Inhomogenitätseinstellschicht.

Die spektroskopische Reflexionskurve des Films ist in F i g. 9 (b) als Kurve 16 dargestellt.

Ein Vergleich zur Reflexionskurve 15, die von einer homogenen (ρ = 1) zweiten Schicht mit einem Brechungsindex von 1,9 bis 2,1 ausgeht, zeigt die Erniedrigung des Antireflexionsbereiches. Bei Kurve 15 besteht im Bereich der zentralen Wellenlänge eine Reflexion von etwa 1,3%. Würde das Dickeverhältnis der dritten Schicht erhöht, dann würde die Reflexion bei oder nahe Ao weiter erniedrigt werden.

Wenn Zirkonoxid als Material mit hohem Brechungsindex verwendet wird, muß die Substrattemperatur bei dieser Ausführungsform während des Aufdampfens auf etwa Raumtemperatur gehalten werden, damit sich in diesem Stadium ein homogener Film mit einem Refraktionsindex von beispielsweise 2,05 ausbildet.

Es ist jedoch bei solchen Temperaturen schwierig, Filme einer für eine gewerbliche Verwertung ausreichend hohen mechanischen Festigkeit herzustellen.

Um nun Filme ausreichender mechanischer Festigkeit herstellen zu können, sind in der Regel Substrattemperaturen in der Größenordnung von 300 bis 400⁰C erforderlich. Derartig hohe Temperaturen führen jedoch bei Zirkonoxidfilmen zur Inhomogenität. Wenn beispielsweise die Filmdicke 1/2A₀ beträgt, nimmt die Inhomogenität ρ einen Wert von etwa 0,93 an, wobei ein unter Verwendung von Zirkonoxid hergestellter, zweischichtiger Antireflexionsfilm eine spektroskopische Reflexionskurve entsprechend Kurve 17 von Fig. 10 liefert. Ein Vergleich mit Kurve 15 von Fig.9 (homogener Film) zeigt, daß bei Kurve 17 (inhomogener Film: ρ = 0,93) die Reflexion im zentralen Wellenlängenbereich extrem hoch ist.

Um nun einen Film genügender mechanischer Festigkeit sowie mit Eigenschaften, wie sie die erste Äusführungsform (vgi. Kurve ϊό von Fig.9) aufweist, herstellen zu können, muß die Dicke der Inhomogenitätseinstellschicht entsprechend den gegebenen Gesetzmäßigkeiten erhöht werden.

Die Fig. 10 (a) und (b) zeigen eine weitere erfindungsgemäße dreischichtige Äusführungsform. Die zur Herstellung der einzelnen Schichten verwendeten Materialien sowie die Eigenschaften der einzelnen Schichten sind in der folgenden Tabelle 11 zusammengestellt:

Tabelle II	Erste Schicht	Zweite Schicht	Dritte Schicht
	0,25A₀ 1,38 MgF₂	0,408 /I₀ *) ZrO,	0,18 ^I₀ 1,8 La₂O₃
Optische Filmdicke ND Refraktionsindex Aufgedampftes Material
Ns = 1,52. H_n = 500 rn-i.
*) Bei einer Filmdicke von '/₂ A₀ gilt /Va !,965, Nb = 2,1 und Inhomogenitütp = 0,93.

Wenn bei der ersten und zweiten Ausführungsform der Refraktionsindex Ns des Substrats stark geändert wird, ergibt sich in der Regel eine Notwendigkeit, den Refraktionsindex der auf dem Substrat direkt aufliegenden dritten Schicht entsprechend zu ändern. Es bereitet ipHnrh pvtrpmp ^/»hwif»rigtrf»itf»n aiic Hi»r hporpn7lpn J * —»- —»— -·--o ~—' ' ■-» — *.·— -"O

Menge an zur Verfügung stehenden Materialien ein solches aufzudampfendes Material auszuwählen, das den Änderungen im Brechungsindex Ns zu folgen vermag.

Diesem Problem kann jedoch dadurch begegnet werden, daß man die bekannte Dreischicht-Äquivalentfilm-Theorie anwendet, wonach ein symmetrischer Film aus mehreren Schichten mit zwei verschiedenen Brechungsindices zu einem einschichtigen Film mit beliebiger optischer Dicke und beliebigem Refraktionsindex als äquivalent angesehen werden kann.

F i g. 11 (a) zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines dreischichtigen Aquivalentfilms, bei welchem Nh und JVt die aufgedampften Filme mit hohem bzw. niedrigem Refraktionsindex bedeuten.

Die F i g. 11 (b) zeigt die Ergebnisse von Berechnungen, die zum Ersatz der dritten Schicht bei dieser

zweiten Ausführungsform durch einen Äquivalentfilm (vgl. Fi g. 10 a) erforderlich sind. Diese Figur zeigt also die Änderung des Äquivalentrefraktionsindex (Refraktinnsindex eines Äquivalentfilms-. berechnet als Refraktionsindex eines einschichtigen Films) bei einer Änderung von JVDt (optische Filmdicke von JVt), wenn NDh (optische Fflmdicke von JVw) konstant bei 0,06Ao gehalten wird.

Im vorliegenden Falle, d. h. bei F i g. 11 (a), ist davon auszugehen, daß JV/fund Nl folgende Werte besitzen:

Nh = 2,15 (CeO₂) und
JVt =

Die Fi g. 12 (a) und (b) sowie 13 (a) und (b) zeigen eine dritte bzw. vierte Ausführungsform gemäß der Erfrndung, wobei ein dreischichtiger Äquivalentfflm, wie er in Fi g. 11 dargestellt ist, als Inhomogenitätseinstellschicht (dritte Schicht) verwendet wird. Sowohl bei der dritten als auch bei der vierten Ausführungsform bilden die

dritte, vierte und fünfte Schicht (III, IV und V) einen dreischichtigen Äquivalentfilm.

Bei der dritten Ausführungsform beträgt der Refrak-

Tabelle III

tionsindex Ns des Substrats 1,52. Einzelheiten bezüglich der verschieden zusammengesetzten Schichten finden sich in der folgenden Tabelle III:

	Erste Schicht	Zweite Schicht	Dritte Schicht	V'icrte Schicht	Fünfte Schicht
Optische Filmdicke	0,25 ^₁	0,408 X₀	0,059 X₀	0,058 X₀	0,059 X₀
Refraktionsindex	1,38	*)	2,15	1,38	2,15
Aufgedampftes Material	MgF₂	ZrO₂	CeO₂	MgF₂	CeO₃
Λ\ - 1,52.
λ) = 500 ma.

Bei der vierten Ausiührungsiorrn beträgt der Rciraktkfflsrndex AVs des Substrats 1,72. Einzelheiten der verschieden zusammengesetzten Schichten sind in der folgenden Tabelle IV zusammengestellt:

Tabelle IV

Erste Schicht

Zweite Schicht Dritte Schicht Vierte Schicht Fünfte Schicht

Optische Filmdicke 0,25 ^ 0,408 X₀ 0,059^ 0,03 X₀ 0,059 X₀

Refraktionsindex 1,38 *) 2,15 1,38 2,15

Aufgedampftes Material MgF₃ ZrO₂ CeO₂ MgF₂ CeO₂

1,72.
500 mu.

Die dritte und vierte Ausführungsform sind in ihrem Aufbau praktisch identisch, sie weisen jedoch in der vierten Schicht eine unterschiedliche Dicke auf. Wie aus den Kurven !9 und 20 der Fa g. 12 {b) bzw. 13 (b) hervorgeht, weisen sie auch nahezu dieselben Eigenschaften auf. Dies deutet darauf hin, daß der durch Anwendung der erfindungsgemä'ßen Gesetzmäßigkeiten auf einem bekannten zweischichtigen Antireflexionsfilm erhaltene Antireflexionsfilm (gemäß der Erfindung) qualitativ extrem hochwertig ist. Bei einer Änderung des Refraktionsindex des Substrats können entsprechend gute Eigenschaften durch bloße Änderung der Dicke der vierten Schicht erreicht werden.

Die F i g. 14 (a) und (bj zeigt eine fünfte Ausführungs-

Tabelle V

form gemäß der Erfindung, bei welcher anstelle von Ceroxid als aufzudampfendes Material mit hohem Refraktionsindex zur Herstellung des dreischichtigen

Äquivalentfilms (dritte, vierte, fünfte Schicht) Zirkonoxid verwendet wurde. Die Einzelheiten der betreffenden Schichten finden sich in der folgenden Tabelle V.

Da im vorliegenden Falle als zweite und dritte Schicht ein aufgedampfter Zirkonoxidfilm verwendet wird, handelt es sich hierbei um ein praktisch vierschichtiges Laminat Da hierbei ferner lediglich zwei verschiedene aufzudampfende Materialien benötigt werden, eignet sich diese Äusführungsform sehr bequem zur Herstellung.

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Erste Schicht

Zweite und
dritte Schicht

Vierte Schicht

Fünfte Schicht

Optische Filmdicke 0,25 X₀

Refraktionsindex 1,38

Aufzudampfendes Material MgF₂

Ns = 1,52.
A₀ - 500 m|i_

0,474 X₀

ZrO₂

0,047Jl₀

1,38

MgF₂

0,065 X₀
2,05**)
ZrO₃

*) Da die für den dreischichtigen Äquivalentfflm verwendete Zirkonoxidschicht eine sehr geringe Stärke aufweist kann sie als homogener Film angesehen werden.

Bei allen geschilderten 5 Ausführungsforfnen ist die Inhomogenitätseinstellschicht auf der Substratseite angeordnet. Ähnliche Ergebnisse erreicht man auch, wenn man diese Schicht in Übereinstimmung mit dem ersten Prinzipbeispiel auf der Luftseite vorsieht In diesem Falle muß jedoch die Inhomogenitätsemstellschicht einen höheren Brechungsindex aufweisen als die Gnindschicht (vgL Gleichung (3)).

Die Fig. 15 (a) und (b) zeigt eine sechste Ausführungsform, bei welcher die erfindungsgemäß aufgebaute zusammengesetzte Schicht als l/22₀-Schicht in einem dreischichtigen Antireflexionsfflm-Prototyp verwendet

wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Inhomogenitätseinstellschicht anders als bei den vorhergehenden fünf Ausführungsformer, auf der Luftseite (d.h. zur ersten Schicht hin) angeordnet. Die Einzelheiten der

Tabelle Vl

einzelnen Schichten finden sich in der folgenden Tabelle VI.

Die dritte Schicht ist die Grundschicht, die zweite Schicht die Inhomogenitätseinstellschicht

Erste Schicht

Zweite Schicht

Dritte Schicht

Vierte Schicht

Optische Filmdicke ND 0,25 A₀

Refraktionsindex 1,38

Aufgedampftes Material MgF₂

Ns = 1,52.
Λ) = 540 mix.

0,0544

0,354 X₀

ZrO₂

0,25 4

1,65

Al₂O₃

Die Kurve 22 in Fig. 15 (b) zeigt den Verlauf einer Änderung der spektroskopischen Reflexion, wenn man für die erste, zweite und dritte Schicht des erwähnten dreischichtigen Antireflexionsfilm-Prototyp Magnesiumfluoride Zirkoniumoxid- (Heterogenität ρ = 0,93) und Aluminiumoxidfilme aufdampft. Der graphischen Darstellung ist zu entnehmen, daß die Reflexion bei und in der Gegend von λο infolge der Inhomogenität des Zirkonoxids hoch ist.

Die Kurve 23 in Fig. 15 (b) zeigt die spektroskopische Reflexionsverteilung bei der sechsten Ausführungsform. Diese Kurve zeigt den hervorragenden Einfluß der erfindungsgemäß aufgebauten Schicht im Vergleich zur Kurve 22. Anders als bei den geschilderten Ausführungsformen 1 bis 5 kann man auch dann günstige Ergebnisse erreichen, wenn man die Inhomogenitätseinstellschicht auf der Luftseite anstatt auf der Substratseite anordnet. Da hierbei jedoch eine vorgebildete Schicht (auf dem Substrat aufliegende Schicht) zwischen der zusammengesetzten Schicht und dem Substrat liegt, ist der Refraklionsindex der Inhomogenitätseinstellschicht (an einer Stelle entsprechend der dritten Schicht) nicht durch die Gleichung (5), sondern durch folgende Gleichung gegeben:

N₁₁ (Refraktionsindex der Grundschicht) > N_m
(Refraktionsindex der Inhomogenitätseinstell-

iu2

schicht) > -^
Ns

Bei der Herstellung von Antireflexionsfilmen gemäß der Erfindung können selbstverständlich anstelle der genannten Verbindungen in gleicher Weise auch Neodymoxid (NdO3), Titanoxid (TiO₂), Zinksulfid (ZnS), Thoriumoxid (ThO₂), Aluminiumoxid (AI2O3) oder Cerfluorid (CeF) verwendet werden. Als transparente Filmschichten eignen sich insbesondere solche aus Zinksulfid und Titanoxid.

Erfindungsgemäß erhält man qualitativ hochwertige mehrschichtige Antireflexionsfilme mit breitem Antireflexionswellenlängenbereich und niedriger Reflexion bei oder nahe Ao.

Hierzu S Blatt Zeicliminucii

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung nur der aus einem zu Inhomogenitäten neigenden Material bestehenden, im Vergleich zum Substrat und zur λ/4-Schicht hochbrechenden, λ/2-Schicht eines Ä/2-A/4-Antireflexionsfilmes auf einem durchsichtigen Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat (S) eine erste Teilschicht (II; ΙΓ) mit einer Dicke kleiner als λ/2 und auf die erste Teilschicht (II; II') eine zweite Teilschicht (I; Γ), deren Brechungsindex (Ni; Ny) größer als derjenige (Nu; Nu·) der ersten Teilschicht (II; II') ist, unter Messung des Reflexionsvermögens der zusammengesetzten Schicht (II, I; ΙΓ, Γ) so lange aufgebracht wird, bis dieses ein Minimum (R'_mi„) durchläuft (F i g. 3,4; F i g. 7, S).

2. Verfahren nach Ansp.-uch 1, bei welchem ein Substrat mit einem Brechungsindex von 1,52 und als λ/4-Schicht MgF2 verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Teilschicht (If) La₂O₃ in einer Dicke von 0,18 λ und als zweite Teilschicht (V) ZrO₂ in einer Dicke von 0,412 λ aufgebracht werden (F i g. 9).

3. Verfahren nach Anspruch I, bei welchem ein Substrat mit einem Brechungsindex von 1,52 und als λ/4-Schicht MgF₂ verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Teilschicht (H') La₂Os in einer Dicke von 0,18 λ und als zweite Teilschicht (Γ) ZrO₂ in einer Dicke von 0,408 λ mit ρ = 0,93 aufgebracht werden, wobei gilt: