DE2902848A1

DE2902848A1 - Verfahren zur herstellung von optischen mehrfachschichten

Info

Publication number: DE2902848A1
Application number: DE19792902848
Authority: DE
Inventors: Anthony W Louderback; David T Wei
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1978-04-13
Filing date: 1979-01-25
Publication date: 1979-10-18
Also published as: CA1104093A; DE2902848C2; IL56659A0; US4142958A; GB2020701B; JPS5941511B2; FR2422729B1; JPS54138878A; GB2020701A; IL56659A; FR2422729A1

Description

Verfahren zur Herstellung"von optischen Mehrfachschichten.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von dauerhaften dielektrischen,dünnschichtigen, optischen Beschichtungen, wie sie üblicher Weise bei Lambda- Viertel-Schic htanordnnn gen für Laserspiegel verwendet werden.

Bei Ring-Laser-Gyroskopen besteht eine der zu überwindenden hauptsächlichen Schwierigkeiten in dem Phänomen der Frequenz— synchronisation oder des Synchronwerdens (lock—in) zwischen den sich in entgegengesetzter Richtung fortpflanzenden Laserwellen innerhalb des Ring-Laserhohlraums. Das Phänomen des Synchronwerdens ist sehr weitgehend in der Schriftr"Laser-Applications" herausgegeben von Mote Ross, Academic Press, New York, 1971 auf den Seiten 148 bis 153 in dem Kapitel "Laser Gyroscope" erläutert. Der wesentliche Grund für das

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TELEFON (O89) SS SB SS

TELEX OB-29 38O

TELEGRAMME MONAPAT

TELEKOPtERER

Synchronwerden ist das Phänomen der Rückstreuung, welches an den reflektierenden Oberflächen der Lambda-Viertel-Schichtanordnungen der Spiegel in dem Laserweg; auftritt. Rückstreuung wird' durch Anomalien und Oberflächenunebenheiten an den reflektierenden Oberflächen der verschiedenen Schichten der Lambda-Viertel-Schichtanordnungen hervorgerufen.

Lambda-Viertel-Schichtanordnungen und ihre Konstruktion sind im einzelnen in dem Handbuch für militärische Normen mit dem Titel " Optical Design " MIL-HDBK-14-1, October 5, 1962 erklärt. Kurz gesagt hat jede Schicht oder jede dünne dielektrische Beschichtung in einer Lambda-Viertel— Schichtanordnung eine Dicke von ungefähr einem Viertel einer Wellenlänge des Lichtes, welches reflektiert werden. soll. Die Anzahl der Schichten, welche die Lambda-Vi er te 1-Schichtanordnung aufweist, hängt von dem Grad des erwünschten Reflexionsvermögens und von den Unterschieden der Brechungs— indizes der Schichten ab. Um das Reflexionsvermögen zu vergrößern» kann die Anzahl der Schichten und/oder die Unterschiede der Brechungsindizes vergrößert werden. Bei Spiegeln, welche in Ringlasern verwandt werden, besteht die Lambda— Viertel-Schichtanordnung im allgemeinen aus 17 bis 25 dünnen optischen Lambda-Vierte!-Schichten, die auf einer Unterlage angeordnet bzw» niedergeschlagen sind. Jede Schicht ist typischerweise zwischen 500 und 800 2. dick. Die Schichten sind abwechselnd aus einem Material mit einem großen Brechungsindex und aus einem Material mit einem kleinen Brechungsindex gebildet. Typischerweise ist das Material mit großem Brechungsindex Tantalpentoxid (Ta₂O₁-) oder Titandioxid (TiOp) und das Material mit dem kleinen Brechungsindex ist Siliciumdioxid (SiOoj d.h. Quarz).

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Um die Rückstreuung und Absorptionsverluste in der Lambda-Viertel-Schichtanordnung zu minimalisieren, ist es wünschenswert, amorphe Schichten zu erhalten, welche frei von Lücken sind und welche sich der Dichte und dem Brechungsindex des Grundmaterials nähern, von dem die Beschichtungen erhalten werden. Das Ziel ist, einen molekülweisen Niederschlag der Beschichtung zu erhalten und eine kristalline Struktur zu vermeiden. Es ist auch erwünscht, die Bildung von Suboxiden zu vermeiden, welche von einem Mangel an ausreichendem Sauerstoff in der Kammer herrühren kann.

Bisher bestand das hauptsächlichste Verfahren zur Herstellung von Lambda-Viertel-Schichtanordnungen für Ringlaser-Spiegel darin, eine Elektronenstrahl-Verdampf ungs— technik zu verwenden. Eine Unterlage, die mit einer reflektierenden Schichtanordnung beschichtet werden soll, wird innerhalb einer Vakuumkammer mit einer Probe des Grund- oder Aufprallmaterials angeordnet, welches niedergeschlagen werden soll. Ein auf das Probenmaterial scharf eingestellter Elektronenstrahl bewirkt eine örtliche Erhitzung des Materials bis zu einem Wert, bei dem Moleküle abgedampft werden. Diese Moleküle kondensieren dann auf den anderen Oberflächen, die im Inneren der Vakuumkammer angeordnet sind und zu denen die zu beschichtende Unterlage gehört.

Ein Elektronenstrahl wurde verwendet, da es mit diesem möglich ist, eine ausreichende thermische Energie auf einen örtlichen Bereich des Aufpral!materials zu übertragen. Die kinetische Energie der Elektronen in dem Strahl wird in thermische Energie umgewandelt, wenn der Strahl auf das zu verdampfende Material gerichtet wird. Moleküle des Aufprallmaterials werden bis zu einem Punkt erwärmt,

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an dem die Moleküle oder Molekülgruppen abgedampft werden. Dieser Vorgang der Elektronenstrahlverdampfung als ein Mittel zum Beschichten ist genau in der Schrift "Physical Vapor Deposition" erklärt, welche von Airco Temescal, 2850 7th Street, Berkeley, California, 1976 verteilt worden ist.

Eines der hauptsächlichsten Probleme, dem man bei der Elektronenstrahl-Verdampfungstechnik begegnet, besteht darin, Schichten für die Lamb da-Vi ert el-Schichtanordnung aufzubringen, so daß diese sich der Dichte des Grundmaterials nähern, von dem sie herstammen. Bei diesem Verfahren kondensieren Moleküle des Aufprallmaterials auf der Unterlage in einer solchen Weise, daß Lücken zwischen ihnen freigelassen werden. Die sich ergebende Beschichtung ist weniger dicht als das Grundmaterial, was einen Unterschied im Brechungsindex der Schicht zur Folge hat. Wegen der Unvorhersehbarkeit der Enddichte ist es schwierig, die Brechungsindizes der Schichtanordnung zu bestimmen und zu steuern.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Elektronenstrahl-Technik hängt damit zusammen, daß der Elektronenstrahl auf Verunreinigungen oder Lufteinschlüsse in dem Grundmaterial auftrifft. Die hohe Wärmekonzentration hat kleine Explosionen zur ITolge, durch die größere Brocken von Vielfachmolekülen und Verunreinigungen ausgeworfen werden, die in der Schicht kondensieren. Diese Verunreinigungen erhöhen die Eückstreuung und die Absorption in dem Laserspiegel.

Bei der Elektronenstrahl-Verdampf ungstechnik werden Parameter wie die Temperatur der Unterlage, der Partialdruck des Sauerstoffes in der Kammer, die Fiederschlagsgeschwindigkeit und die Vorbereitung des Aufprallmaterials in Hinblick darauf verändert, den Oxidations zustand, die Packungsdichte

und den Grad der Amorphie der Schichtanordnung zu steuern und zu verbessern. Normalerweise ist es sehr schwierig, die richtigen Änderungen vorzunehmen und diese zu steuern. Typischerweise muß die Temperatur der Unterlage "bei ungefähr JOO⁰C gehalten werden, um eine Beschichtung großer Dichte zu erzielen, welche relativ frei von Lücken und ausreichend amorph ist. Bisher wurde die Elektronenstrahl-Verdampfungstechnik derart verfeinert, daß Laserspiegel mit Absorptionsverlusten und Rückstreuung in der Größenordnung von 0,1% reproduzierbar hergestellt werden können.

Als ein mögliches Mittel zum Niederschlagen von dünnen Schichten für Laserspiegel wurde in der Vergangenheit auch eine Hochfrequenzzerstäubung versucht. Die Hochfrequenzzerstäubung ist in der oben angegebenen Schrift " Physical Vapor Deposition" auf den Seiten 106 bis 108 erläutert. Kurz gesagt, werden bei diesem Verfahren zwei Platten verwandt, zwischen denen sich Argongas befindet. An einer Platte ist eine zu beschichtende Unterlage und an der anderen das Aufprallmaterial befestigt. Ein hochfrequentes Hochspannungs-Wechselfeld zwischen den Platten ionisiert die Gasatome und bewirkt, daß sie sich hin- und herbewegen, wobei sie auf das Aufprallmaterial stoßen und Moleküle herausschlagen, welche dann auf der Unterlage abgelagert werden«

Auf diese Weise hergestellte Beschichtungen neigen dazu, eine kristalline Struktur zu zeigen. Ferner bewirkt dieses Verfahren, daß sich die Beschichtung agglomeriert (d.h. daß sie eine starke Oberflächenrauheit aufweist), und es ist nahezu unmöglich,die Temperatur der Unterlage genau zu steuern. Die Hochfrequenzzerstäubung wird gegenwärtig für kommerzielle Anwendungen eingesetzt, aber im allgemeinen nicht für besondere oder spezialisierte optische Dünnschicht-Anwendungen.

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Eine Zielsetzung der Erfindung besteht darin, Lambda— Viertelwellen-Schichtanordnungen hoher Güte für laser-Spiegel herzustellen. Solche Spiegel weisen stark erhöhte Packungsdichte und verbesserte, amorphe Zustände bei den einzelnen Schichten auf, und Verunreinigungen und Oberflächenstörungen oder Oberflächenabweichungen sind wesentlich verringert. Dies wird durch die Verwendung der Technik der Ionenstrahl-Reaktivzerstäubung erreicht, um die dielektrischen Beschichtungen zu erzeugen, welche die Lambda-Viertelwellen-Schichtanordnung der Spiegel bilden oder aufbauen. Ein wesentlicher Gesichtspunkt dieser Erfindung besteht darin, daß die Ionenstrahl-Zerstäubung ein Aufprallmaterial mit Ionen bombardiert. Diese Ionen schlagen auf das Aufprallmaterial mit einem großen Impuls auf und brechen einzelne Moleküle aus dem Aufprallmaterial heraus. Die Moleküle des Aufprallmaterials werden dann auf der Unterlage niedergeschlagen, welche die Basis für den Laserspiegel umfaßt. Diese Technik ergibt einen molekülweisen Niederschlag auf der Unterlage mit einer verbesserten amorphen Beschichtung und einer erhöhten Packungsdichte. Ferner haften die Moleküle wegen der größeren Molekülgeschwindigkeiten, welche bei der Ionenstrahlzerstäubung auftreten, besser auf der Unterlage.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß es sich um ein im wesentlichen kaltes Verfahren handelt, so daß die zu beschichtenden Unterlagen nicht auf hohen Temperaturen gehalten werden müssen, um amorphe Zustände und annehmbare Werte für die Packungsdichte zu erzielen. Ferner, da es sich um ein kaltes Verfahren handelt, bei dem Ionen die Moleküle aus dem Aufprallmaterial herausbrechen, statt sie durch örtliche

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Anwendung von hoher Energie abzudampfen, bewirken Luft— einschlüsse und Verunreinigungen in dem Aufprallmaterial keine kleinen Explosionen, bei denen größere Materialbrocken fortgeschleudert werden, welche sich auf der Unterlage niederschlagen können. Dadurch werden wiederum in hohem Maße Verunreinigungen und Anomalien "bei den Schichten der Lambda-Viertei-Schichtanordnung verringert.

Ein weiterer wichtiger Gedanke der Erfindung liegt darin, daß Sauerstoff in der Vakuumkammer vorhanden ist, in der die Unterlage beschichtet wird. Die Größe des zur Oxidation der Moleküle in den Schichten zur Verfugung stehenden Sauerstofflusses muß gut gesteuert werden, um die Bildung von Suboxiden zu minimalisieren, welche sonst Absorptionsver— unreinigungen in den Schichten oder Beschichtungen bilden. würden. Diese Steuerung zusammen mit anderen Merkmalen in Hinblick auf das kalte Verfahren vereinfacht in hohem Maße das Beschichten von Laserspiegeln und ermöglicht eine wesentlich größere Voraussagbarke it der Enddichten und Brechungsindizes.

Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß die Basisunterlage mit Ionen bombardiert werden kann., bevor der Niederschlag der dünnen Schichten beginnt. Dieses Bombardieren der Unterlagenoberfläche entfernt Oberflächenanomalien und reinigt auch die Oberfläche der Unterlage, um Unebenheiten und Verunreinigungen zu entfernen, welche sonst nachteilig für das Reflexionsvermögen des Spiegels sein können.

Gegenwärtig können mit dem Ionenstrahl-Niederschlagverfahren auf reproduzierbare Weise Lambda-Viertel-Spiegel-

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Schicht anordnungen für Laser hergestellt werden., deren Verluste in der Größenordnung von 0,01% liegen» Dies bedeutet eine wesentliche Verbesserung bei -der Technologie von Dünnschicht*! ed er schlagen und insbesondere in Hinblick auf die Herstellung von Lambda-Viertel-Schichtanordnungen für Laserspiegel.

Durch die Erfindung wird also ein Verfahren zur Herstellung von optischen Interferenz-Mehrfachschichten durch Ionen— strahl-Zerstäubung geschaffen, wobei diese Schichten für Spiegel in einer Ringlaser-Vorrichtung verwandt werden. Ein Ionenstrahl trifft schräg auf ein Aufprallmaterial auf, wobei Moleküle von dem Aufprallmaterial herausgelöst werden, so daß diese sich auf einer Oberfläche niederschlagen können, welche als Basis für eine mehrschichtige Interferenzbeschichtung dient. Die Dicke der Beschichtung wird so überwacht, daß die geeignete Dicke einer gewissen Schicht optimalisiert werden kann, um die ' Art von Reflexionsvermögen zu erhalten, welche für eine bestimmte Lichtwellenlänge erwünscht ist. Die zu beschichtende Oberfläche wird während des Niederschlages der Schicht aus Aufprallmaterial gedreht. Die optische Interferenzschicht umfaßt eine Schichtanordnung mit abwechselnden Brechungs— indizes» Der Beschichtungsvorgang wird innerhalb einer Vakuumkammer vorgenommen, in der die 3?artialdrxicke der Gase genau gesteuert werden, um die richtige Ionenstrahl— intensität und eine optimale Stöchiometrie der niedergeschlagenen optischen Schichten sicherzustellen. Bevor mit dem Niederschlag der optischen Schichten begonnen wird, wird die Unterlage aus einem Keramikmaterial, welche die Spiegelbasis umfaßt mit dem Ionenstrahl unter einem schrägen Winkel bombardiert, um Oberflächenanomalien zu entfernen und die. Oberfläche zu reinigen.

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Andere Zielsetzungen, Merkmale und Verbesserungen, die durch, die Erfindung erreicht werden, werden, beim Studium der Figuren und der ins Einzelne gehenden Beschreibung der Erfindung offensichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht teilweise im Schnitt, wobei das Innere einer Vakuumkammer, mit den verschiedenen Vorrichtungen dargestellt ist, die notwendig sind, eine Ionenstrahl-Zerstäubung zur Herstellung von optischen Interferenzschichten durchzuführen,

Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt der in Fig. 1 dargestellten Vakuumkammer, um zu zeigen, auf welche Weise der Revolverkopf , an dem die Aufprallmaterialien befestigt sind, in die Vakuumkammer paßt und in ihr arbeitet, und

Fig. 3 eine Schnitt ansicht der Vorrichtung, welche verwandt wird, um die Befestigungsfläche für die Unterlage innerhalb der Vakuumkammer mittels Steuereinrichtung von außerhalb der Kammer hand— zuhaben und zu drehen.

Fig. 1 zeigt eine: Schnittansicht einer Vorrichtung mit einer Vakuumkammer, welche zur Herstellung von optischen Interferenzschichten mittels Ionenstrahl-Zerstäubung verwandt wird. Die Vakuumkammer 2 enthält Argon bei ungefähr 1,5 x 10" Torr. Argon tritt in die Kammer durch, die Röhre 3 ein, wobei das Argon in der Kammer in den. Bereich der Ionenstrahlkanone 4- aussbrömt.

Sauerstoff ist innerhalb der Kammer auch vorhanden, um die richtige Stöchiometrie der bei den optischen Spiegeln niedergeschlagenen Schichten sicherzustellen. Der Partial—

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druck des Sauerstoffs hängt davon ab, ob das Aufprallmaterial, mit dem beschichtet wird, einen großen oder kleinen Brechungsindex aufweist. Bei Materialien mit einem großen Brechungsindex liegt der Partialdruck des Sauerstoffs bei ungefähr 5 χ 1Q~%orr, während er bei Materialien mit einem niederen. Brechungsindex bei ungefähr 3 x 10 Torr liegt.

Der Sauerstoff tritt in die Kammer durch die Bohre 36 ein. Da der Partialdruck des Sauerstoffs wesentlich kleiner als der Partialdruck des Argons in der Kammer ist, ist eine besondere Torrichtung vorgesehen, um nur den Druck des Sauerstoffs zu messen« Ein Druckfühler 7» an dem eine Ausgangsspannung erzeugt wird, mißt den Druck in der Sauerstoffleitung 5- Der Ausgang des Druckfühlers wird einer Servo-Tentilsteuereinrichtung 9 zugeführt, wie z.B. einer Granville Phillips Servo-Tentilsteuereinrichtung. Die Servo-Tentilsteuereinrichtung öffnet und schließt das Servo—Tentil 11, um den Sauerstoff in der Leitung 5 bei einem vorbestimmten, konstanten Druck zu halten. Sauerstoff wird durch das Servo-Tentil 11 über die Röhre 13 zugeführt. Der Druekfühler 7 ist ausreichend weit von der Kammer entfernt angeordnet, so daß er nur wirkungsvoll den Druck des Sauerstoffs mißt, der der Kammer zugeführt; ist, statt des Argons in der Kammer.

Eine andere Möglichkeit, um die Menge des Sauerstoffs zu steuern besteht darin, durch die fiöhre 3 Gas zuzuführen, welches im richtigen Terhältnis gemischt ist.

Die Ionenstrahl-Kanone 4 ist eine im Handel erhältliche Ionen aussendende Torrichtung, welche allgemein als eine

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Ionenstrahl-Kanone vom Kauffman0^p ist. Die Kathode 6 der Kanone ist ein thermionischer Sender bzw. eine thermionische Quelle, d.h. Elektronen werden emittiert, wenn ein elektrischer Strom durch sie hindurch fließt, welcher den Draht erwärmt. Die Kathode 6 sendet Elektronen aus, welche in Richtung auf die Anode 8 beschleunigt werden. Die von der Kathode zu der Anode beschleunigten Elektronen treffen auf Argonatome und lösen dabei Elektronen von dem Argon ab. Daraus ergeben sich positiv geladene Argonionen, welche von der Anode fort und zu den Gittern 12 und 14- beschleunigt werden. Permanente Stabmagnete 10, die an der Anode angeordnet sind, erzeugen ein Magnetfeld in dem Bereich zwischen der Kathode und der Anode, welches bewirkt, daß die zu der Anode wandernden Elektronen sich, spiralförmig bewegen. Diese spiralförmige Bewegung erhölit wirkungsvoll die Strecke, welche die Elektronen bis zum Erreichen .der Anode durchlaufen, und erhöht dadurch die Anzahl der Stöße zwischen Elektronen und Argonatome«

In dem Raum zwischen der Kathode 6 und der Anode 8 erzeugen die Elektronen und Argonionen ein glühendes Plasma. Dieses Plasma hat ein hohes negatives Potential, wobei das untere Gitter 14- auf ungefähr " Massepötential liegt. Der Spannungsunterschied zwischen den zwei Gittern12 und 14- liegt zwischen 500 bis 1500 Volt, so daß die zwischen den. zwei Gittern hindurchgehenden Argonionen auf eine große Geschwindigkeit von dem Plasma weg und aus der Kanone heraus beschleunigt werden. Diese Ionen bilden einen Ionenstrahl.

Metallene Behälter 16 enthalten elektrische Drähte, welche weißglühend gehalten werden, so daß sie Elektronen aussenden. Diese ausgesandten Elektronen werden in dem Strahl durch Öffnungen 17 in den Behältern eingeführt. Dies dient dazu,

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den Ladungsausgleich, des Ionenstrahls aufrecht zu erhalten.

Die sich ergebende Strahlintensität "beträgt ungefähr 10OmA und 1000 V. Die Strahlintensität hängt von dem Kathodenstrom, der Spannung zwischen der Anode und der Kathode und den Partialdrücken der Gase innerhalb der Kammer 2 ab. Gegenwärtig liegt der Kathodenstrom bei ungefähr 20 A, während die Spannung zwischen der Anode und der Kathode im Bereich von 40 bis 60 Y liegt. Der Partialdruck des Argons beträgt 1,5 x 10" Torr» Ferner wird Sauerstoff in die Kammer mit einem Partialdruck von ungefähr 5 ^c 10~-^?iorr oder 5 χ 10" Torr in Abhängigkeit davon eingeführt, ob Materialien mit einem großen Brechungsindex oder Materialien mit einem geringen Brechungsindex auf einer Unterlage niedergeschlagen werden sollen.

Ein wassergekühlter Revolverkopf 18 für vier Aufprallmaterialien ist vorgesehen. Ein Aufprallmaterial ist das Grundmaterialstück, auf welches der Ionenstrahl gerichtet wird, so daß Atome des Aufprallmaterials freigesetzt und auf einer Unterlage niedergeschlagen werden. Die Aufprallmaterialien werden auf Halteplatten gelötet, und die Oberflächen A,B,C und D des Revolverkopfes 18 sind zur Befestigung dieser Befestigungsplatten vorgesehen. Eine einzelne Befestigungsplatte kann an jeder Oberfläche befestigt werden.

Während des Zerstäubungsvorganges werden die Aufprall-Tuaterdalien häufig zu heiß. Da das Maß der Zerstäubung von der Temperatur abhängt, nämlich derart, daß ge höher die Temperatur des Tagefcs, desto größer ist die Niederschlagsmenge auf der zu beschichtenden Unterlage. Deshalb, um die Temperatur des Aufprallmaterials zu steuern, ist es bei der Zerstäubung üblich, Wasserleitungen innerhalb des Revolverkopfes 18 mit zirkulierendem Wasser vorzusehen, um das Auf-

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prallmaterial zu kühlen. Auf welche Weise der Revolverkopf betrieben wird und das V/asser zirkuliert, ergibt sich näher bei einer Betrachtung der Fig. 2.

Bei der in Pig. 1 gezeigten Ausgestaltung wird der· von der Kanone 4 ausgesandte Ionenstrahl auf die Oberfläche A des Revolverkopf es gerichtet, wie es durch die Pfeile angedeutet ist. Atome des Aufprallmaterials werden freigesetzt und schlagen sich auf den Oberflächen innerhalb der Kammer 2 nieder. Eine keramische Unterlage 20 weist eine Basis auf, auf welcher dielektrische Schichten niedergeschlagen werden sollen. Diese Unterlage ist an der Scheib< am Ende der Welle 22 befestigt. Die Unterlage bildet die Basis für den Einglaser-Spiegel und ist nächst dem Aufprallmaterial innerhalb der Kammer so angeordnet, daß sie sich im Hauptstrahl bzw. Hauptstrom der von dem Auf— prallmaterial 18 freigesetzten Atome befindet. Die Welle 22 ist mit einer Verbindung 24 ausgebildet, so daß der Winkel der Unterlage dadurchveränd ert werden kann, daß die Verbindungsstange 26 in die Kammer hinein und aus ihr heraus bewegt wird. Die Verbindungsstange kann in. und aus der Vakuumkammer herausgeschoben werden, wobei eine hermetische Abdichtung vorgesehen ist, welche allgemein erhältlich und auf diesem Gebiet der Technik wohlbekannt ist. Ferner kann dadurch, daß die Welle 22 weiter in die Kammer hineingeschoben und die Verb indungs— stange entsprechend eingestellt wird, die Unterlage 20 direkt in dem Strom des Ionenstrahls angeordnet und so geneigt werden, daß der Strahl auf die Oberfläche der Unterlage auf trifft. Diese Stellung ist durch unterbrochene Linienführung 28 dargestellt.

Eine Hülse 30 ist vorgesehen, um die Verbindungsstange mit der Welle 22 zu verbinden. Diese Hülse erlaubt, die

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Welle zu drehen, während sie von der Yerbindungsstange gehalten wird, v/ährend des Beschichtungsvorganges wird die Welle mit ungefähr 60 Umdrehungen pro Minute gedreht. Die Vorrichtung zum Indern der Lage der Welle und zu ihrem Drehen innerhalb der Kammer ist im einzelnen in Fig. 3 dargestellt.

Ein Quarzkristall-Monitor 32 ist innerhalb der Kammer nächst der Unterlage vorgesehen, um die Dicke einer Beschichtung auf der Unterlage zu überwachen. Der Monitor 32 mißt die Dicke dadurch, daß die Zunahme der Masse an dem Quarz aufgrund der Beschichtung seiner Oberfläche gemessen wird. Der Quarzkristall ist mit einem Oszillatorschaltkreis über Drähte 34· verbunden. Wenn die Masse der Beschichtung zunimmt, nimmt die natürliche Frequenz der Oszillator schaltung ab. Die Frequenz der Oszillatorschaltung ist geeicht, um eine der Dicke der auf dem Quarz niedergeschlagenen Schicht entsprechende Ablesung zu ergeben. Die Dicke der Schicht auf dem Quarz entspricht der Dicke der Schicht auf der Unterlage 20. Solche Monitoren sind im Handel erhältlich und auf diesem Gebiet der (Dechnik allgemein bekannt.

In der Fig. 2 ist eine Seitenansicht der Vakuumkammer gezeigt. Wie dargestellt, wird der vier- Seitenflächen aufweisende, wassergekühlte Revolverkopf ~18 auf einer Welle 38 gehalten und durch eine waagerechte Stange 40 abgestützt. Eine senkrechte Stange 4-2 ist über Lager an der Mitte des Revolverkopfes befestigt und ist mit der waagerechten Stange 40 über Rollenlager 4-6 verbunden* Die dargestellte Anordnung ermöglicht, daß die waagerechte Stange 40 eine Abstützung für den Revolverkopf 18 schafft, während die Welle 38 den Revolverkopf drehen kann und in die Kammer hinein-und aus ihr herausgeschoben werden kann,

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während die Stange 40 den Revolverkopf abstützt. Flexible Leitungen 48 treten außerhalb der Kammer in die hohle Welle 38 ein und liefern zirkulierendes Wasser für die Befestigungsoberflächen des Revolverkopf es. Die Metall— röhre 50, welche fest an der Seite der Kammer befestigt ist, schafft ein Gehäuse und eine Stütze für die hohle Welle 38. Eine O-Ringdichtung 52 ist als eine Dichtung zwischen, der Gehäuseröhre 50 und der Welle 38 vorgesehen. Äußere Handhaben 54 sind fest mit der Welle 38 verbunden und werden an einem Ende durch Kugellager 56 abgestützt. Die Lage dieser Handhaben relativ zu der Markierung 53 geben der Bedienungsperson eine Information in Bezug auf die Winkelstellung des Revolverkopfes innerhalb der Kammer.

Gemäß Fig. 3 ist eine Vorrichtung vorgesehen, durch die die an einem Ende der Welle 22 befestigte Unterlage innerhalb der "Vakuumkammer 2 gedreht werden kann. Kompensationsmagnete (bucking magnets) 60 und 62 sind zwischen, einen. kreisförmigen Ring 62 und einer Rolle 66 geklemmt. Der Ring, die Kompensationsmagnete und die Rolle sind aneinander durch Bolzen 65 befestigt, um eine Kompensationsmagnetanordnung zu schaffen. Kugellager 68 und 70 verbinden die Kompensationsmagnetanordnung mit dem Stütz— rohrgehäuse 72. Dieses Gehäuse 72 ist fest an der Außenseite der Kammer befestigt. Die Welle 22 wird innerhalb des Gehäuses 72 durch Kugellager 7^· und 76 gehalten. Die inneren Laufbahnen der Lager 74- und 76 sind mit der Welle 22 verbunden, während die äußeren Laufbahnen mit Rollen 78 verbunden sind. Die Rollen 78 stützen die Welle derart ab, daß sie nicht die Seiten des rohrförmigen Gehäuses 72 berührt, wenn die Welle 22 in die Kammer hinein und aus ihr herausgeschoben wird. Lager 74- ¹¹¹¹CL ermöglichen,die Welle 22 zu drehen, während die Rollen und das rohrförmige Gehäuse ortsfest bleiben.

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Wenn sich die Kompensationsmagnete und die Seilscheibe um das rohrförmige Gehäuse 72 drehen, dreht sich das Magnetfeld der Magnete 60 und 72 und übt eine winkelraäßige Kraft auf einen Anker 80 aus, welcher fest an der Welle 22 angeordnet ist. Diese Art von Anker besteht aus einem Stück von Eisen mit hoher Permeabilität und ist auf diesem Gebiet der Technik gut bekannt. Wenn sich der Kompensationsmagnet und die Seilscheibe drehen, dreht sich auch die innerhalb der Kammer angeordnete Unterlage. Ein Elektromotor 82 ist mit der Seilscheibe über einen Keilriemen 84· verbunden, um einen konstanten Antrieb für die Welle 22 zu liefern.

Die Welle 86 ist mit der inneren Laufbahn des Kugellagersatzes 88 verbunden, während die äußere Laufbahn mit der äußeren Laufbahn des Kugellagersatzes 76 verbunden ist. Diese Anordnung gestattet, die Welle 22 frei zu drehen, während die Welle 86 ortsfest bleibt. Jedoch, wenn die Welle 86 in das rohrförmige Gehäuse 72 hinein und aus diesem herausgeschoben wird, ist die Welle 22 gezwungen, sich mitzubewegen. Eine Gewindekappe 90 hält eine 0-Ringdichtung 92 zwischen dem rohrförmigen Gehäuse 72 und der Welle 86 und dichtet die Vakuumkammer.

Die in den !Figuren Λ bis 3 beschriebene Vorrichtung ist für eine Ionenstrahl-Zerstäubung verschiedener Arten geeignet. Der hier beschriebene Vorgang dient zum Niederschlagen von dünnen Schichten auf keramischen Unterlagen um eine Reihe oder eine Schicht anordnung von Lambda-Viertelwellen-Schichten zu bilden um Laserstrahlen in Ringlaser-Gyroskopen zu reflektieren. Jedoch, ist dieser Vorgang nicht notwendigerweise auf die Herstellung von Ringlaser-Spiegeln beschränkt.

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Es wird erneut auf die Figur 1 Bezug genommen. Eine an dem Ende der Welle 22 befestigte, keramische Unterlage 20 ist in dem Ionenstrahl-Strom angeordnet, wie es durch unterbrochene Linien 28 gezeigt ist. Der unter einem Winkel die Oberfläche der Unterlage bombardierende Ionenstrahl reinigt diese, um Verunreinigungen, welche sich auf der Oberfläche befinden,zu entfernen und entfernt auch rauhe oder unebene Stellen. Dadurch wird eine sauberere und ebenerere Oberfläche geschaffen, so daß eine besserere Dünnschicht-Beschichtung erzielt werden kann. Die Unterlage wird dann in die in Pig. 1 gezeigte Stellung zurückgezogen und das an der Befestigungsoberfläche A des Revolverkopf es 18 angeordnete Aufprallmaterial wird mit dem Ionenstrahl bombardiert. Atome, welche aus dem Aufprallmaterial herausgelöst werden, schlagen sich auf die sich innerhalb der Kammer 2 befindenden, freien Oberfläche^ zu denen, die Unterlage gehört, nieder.

Eine Gl as ab schirmung 102 ist innerhalb der Kammer vorgesehen. Diese Abschirmung wird in eine Stellung» die in Fig. 1 gezeigt ist,durch eine Einrichtung 103 gedreht, welche außerhalb der Kammer angeordnet ist, wobei die Vakuumkammer abgedichtet bleibt, während die Welle 104-, welche mit der Abschirmung verbunden ist, gedreht werden. kann.

Aufprallmaterialien, welche der Atmosphäre ausgesetzt worden sind, können auf ihren Oberflächen Schmutzstoffe aufweisen, welche von ihrer Handhabung oder Oxidation und anderen Karosionen stammen. Bevor eine dünne Schicht; niedergeschlagen wird, werden die Aufprallmaterialien innerhalb der Kammer dadurch gereinigt, daß sie mit dem

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Ionenstrahl bombardiert und die Oxidation und Verschmutzung entfernt werden. Während dieser Reinigung werden die Verbindungsstangen 26 und die Welle 22 so gehändhabt, daß die Unterlage 20 hinter die Gl as ab schirmung 102 gebracht wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß sich von den Aufirallmaterialien entfernte Schmutzstoffe und Oxidation auf der Oberfläche der Unterlage niederschlagen.

Das Aufprallmaterial auf der Oberfläche A des Revolver— kopfes 18 besteht aus einem Material mit einem großen Brechungsindex, wie Titandioxid. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, trifft der Ionenstrahl auf das Aufprallmaterial auf der Oberfläche A schräg auf und setzt Atome des Aufprallmaterials frei. Es wird darauf hingewiesen, daß die Unterlage innerhalb der Kammer in dem Hauptweg der Aufprallmaterialmoleküle angeordnet ist, welche durch den Ionenstrahl freigesetzt worden sind. Das Titandioxid-Aufprallmaterial wird mit dem Ionenstrahl bombardiert, bis die niedergeschlagene Schicht eine optische Dicke von 1/4 der Wellenlänge eines Laserstrahls hat. Da verschiedene Laserstrahlen verschiedene Wellenlängen haben können, kann die richtige Dicke der Lambda-Viertel-Wellenlängen-Schicht sich in Abhängigkeit^von den besonderen Konstruktionsparametern ändern; Die richtige Schichtdicke ergibt sich aus der folgenden Formel:

Schichtdicke = Wellenlänge des Laserstrahls

4 χ Brechungsindex der Schicht

Ein Aufprallmaterial mit einem kleinen Brechungsindex, wie z.B. Siliciumdioxid, ist an der Oberfläche C des Revolverkopf es befestigt. Wenn eine Lambda-Viertel-Wellenlängen-Schicht mit einen großen Brechungsindex hergestellt

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worden ist, wird der Revolverkopf um 180° gedreht und der Ionenstrahl trifft sciiräg auf das Aufprallmaterial auf der Oberfläche G auf, um eine Lambda-Viertel-Wellenlängen-Sehieht mit einem kleinen Brechungsindex niederzuschlagen. Typischerweise ist eine Silicjumdioxid-Schicht ungefähr 1000 SL dick, während eine Titandioxid-Schicht ungefähr 700 2 dick ist.

Dieses Verfahren wird wiederholt, bis eine Schichtanordnung mit abwechselnden Schichten aus Materialien mit großem und kleinem Brechungsindex niedergeschlagen ist.. Die Anzahl der niedergeschlagenen Schichten hängt von den Unterschieden der Brechungsindizes der Materialien und der Größe des erwünschten Reflexionsvermögen ab. Geeignete Materialien mit einem großen Brechungsindex sind solche» deren Brechungsindex größer als 2,0 ist. Materialien mit einem kleinen Brechungsindex haben normalerweise einen Brechungsindex von weniger als 1,5· Die oben genannten Materialien Titandioxid und Siliciumdioxid haben Brechungsindizes von ungefähr 2,4 bzw. 1,46.

Titandioxid-Siliciumdioxid-Spiegel haben typischerweise 21 abwechselnde Schichten, um ein maximales Beflexionsvermögen zu erzielen. Dort, wo Spiegel benotigt werden, welche eine Durchlässigkeit von 0,05 bis 0,01 aufweisen, werden ungefähr 19 abwechselnde Schichten verwandt. Wenn der Unterschied der Brechungsindizes zwischen den Schichtmaterialien kleiner ist, werden mehr Schichten benötigt;, um das gleiche Reflexionsvermögen zu erreichen.

Es wird noch darauf hingewiesen, daß eine Unterlage für die Basis des Ringlaser-Spiegels im allgemeinen aus einem keramischen Material mit einer ultrakleinen Ausdehnung

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besteht, wie z.B. Zero-Dur, hergestellt von Shott Glass oder Cervit, hergestellt" von Owens-Illinois. Andere Materialien können für die Unterlage und für die abwechselnden Schichten aus Materialien mit hohem und geringem Brechungsindex, die als Aufprallmaterialien verwandt werden, vorgesehen werden, ohne dadurch den Bereich und den Grundgedanken dieser Erfindung zu verlassen.

Leerse'rte

Claims

Patentansprüche

Iy Verfahren zur Herstellung von optischen Mehrfachschichten, dadurch gekennzeichnet, daß,um optische Schichten auf einer Unterlage niederzuschlagen, Aufprallmaterialien schräg mit einem Ionenstrahl "beaufschlagt werden,, wodurch Moleküle der Aufprallmaterialien auf die Unterlage zerstäubt werden, welche mit der Schicht beschichtet werden soll, daß das Niederschlagen der optischen Schichten innerhalb einer Vakuumkammer vorgenommen wird, daß die Atmosphäre innerhalb der Vakuumkammer gesteuert wird, um ,ausreichend Gas zum Aufrechterhalten des Ionenstrahls und die richtige Menge an Sauerstoff zu liefern, um die richtige Stöchiometrie der dünnen Schichten zu erreichen, und daß mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf der Unterlage dadurch niedergeschlagen werden, daß die mit dem Ionenstrahl beaufschlagten Aufprallmaterialien geändert werden»

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(oaa) sassea

telex os-aasao

Telegramme monapat

telekopierer
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt des Niederschiagens der Mehrfachschichten auf der Unterlage die Unterlage gedreht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mehrfachschichten optische Schichten mit verschiedenen Brechungsindizes umfaßen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage mit einem schräg auf treffenden Ionenstrahl "beaufschlagt wird, "bevor die Aufprallmateriälien "beaufschlagt werden, wodurch die Unterlage gereinigt und Oberflächenanomalien entfernt werden.
5- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt des Nieder— schlagens von Mehrfachschichten das !Niederschlagen von Materialien, deren Brechungsindizes größer als 2,0, und von Materialien umfaßt, deren Brechungsindizes kleiner als 1,5 sind, wo"bei die optischen Schichten abgewechselt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch, gekennzeichnet , daß die optischen Schichten mit Brechungsindizes über 2,0 Titandioxid aufweisen.
7. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch, gekennzeichnet, daß die optischen Schienten mit Brechungsindizes kleiner als 1,5 Siliciumdioxid aufweisen.

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8. Verfahren nach Anspruch 5? dadurch g e k e ~n η — zeic.hnet , daß die sich abwechselnden Schichten Lambda-Viertelwellen-Schichten sind»
9- Verfahren nach Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet, daß die Äufprallmaterialien gekühlt werden, um einen übermäßigen Wärme-aufbau zu verhindern und um die Zerstäubung^geschwindigkeit "bzw- Zerstäubungsmenge zu steuern.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k. e η n - ■ zeichnet , daß die Unterlage eine keramische Unterlage mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten ist.

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