DE3404736A1

DE3404736A1 - Duennschichtanordnung

Info

Publication number: DE3404736A1
Application number: DE19843404736
Authority: DE
Inventors: Hermann 7200 Tuttlingen Flad
Original assignee: Balzers Hochvakuum GmbH
Current assignee: Balzers Hochvakuum GmbH
Priority date: 1983-04-18
Filing date: 1984-02-10
Publication date: 1984-10-18
Also published as: GB2138966A; NL8401158A; JPS59202408A; FR2544505A1; SE8402167L; GB8409958D0; SE8402167D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dünnschichtanordnung mit einem auf einer Unterlage aufgebrachten optisch wirksamen Mehrschichtsystem aus abwechselnd MgF₂- und TiCL-Schichten mit einer mittleren optischen Dicke der Einzel schichten von wenigstens 100 nm. Unter optischer Dicke wird im Rahmen dieser Beschreibung das Produkt aus der tatsächlichen Dicke mal dem Brechwert der Schichtsubstanz verstanden. Mehrschichtsysteme aus MgF₂/Ti0₂ werden z.B. für Wärmefilter, Strahlenteiler, metallfreie hochreflektierende Spiegel und dgl. gebraucht.

Nahezu alle dünnen Schichten, gleich ob sie durch Aufdampfen, Kathodenzerstäubung oder durch chemische Verfahren auf Unterlagen aufgebracht worden sind, weisen mehr oder weniger starke Zug- oder Druckspannungen auf, die sich, wenn sie zu gross werden, durch Rissebildung in der Schicht bzw. durch Abblättern kundtun. In der Literatur wurden verschiedene Ursachen der Schichtspannungen diskutiert und Zahlenwerte hiefür für verschiedene Schichtsubstanzen angegeben; eine zusammenfassende Darstellung findet sich im Kapitel 12 des "Handbook of Thin Films", Mc Graw Hill Inc. 1970..

Allgemein kann gesagt werden, dass unter Fachleuten Einvernehmen darüber besteht, dass die Spannungen in Schichten von mehreren verschiedenen Faktoren abhängen, und dass schon geringfügige Aenderungen der Herstellungsbedingungen wesentlich verschiedene Spannungen ergeben können. Ausser der chemischen Natur der Schichtsubstanz und dem sich daraus ergebenen thermi-

sehen Ausdehnungskoeffizienten werden vor allem auch Verunreinigungen als Ursache der schwankenden Grosse der Spannung bei ein und derselben Schichtsubstanz angesehen. Spannungszustände können nicht nur zu einer Beschädigung der Schicht durch Haarrisse und Abreissen von der Unterlage bzw. der Schichten untereinander führen_s sondern darüberhinaus auch eine Deformation optischer Flächen zur Folge haben, die sich bei präzisionsoptischen Anwendungen, wie z.B. Interferenzsystemen störend bemerkbar machen.

Diese Deformation bildet sogar die Grundlage eines Messverfahrens für

die Bestimmung der Schichtspannung, welche meist als die Kraft pro cm angegeben wird₉ die im Schichtquerschnitt senkrecht zur Schichtfläche wirksam ist.

Für aufgedampfte MgFp-Schichten ist aus der Literatur (A.E. Ennos, Applied Optics, Vol. 5, Seite 51, Januar 1966) bekannt, dass .A /4-Schichten, wie sie in der optischen Technik sehr viel verwendet werden und die (je nach Bezugswellenlänge) eine Schichtdicke von 100 nm oder mehr besitzen, Span-

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nungen bis zu 5000 kp pro cm aufweisen, welche, wenn die Schicht der Luft-·

feuchtigkeit ausgesetzt wird, später wieder auf etwa 3400 kp pro cm absinken. Allerdings sollte eine Wasseraufnahme der Schichten möglichst vermieden werden, weil dadurch ein Absorptionsband auftritt, das sich besonders bei IR-Anwendungen störend bemerkbar macht. In jedem Falle aber ergeben sich bei MgF₂-Schichten₅ wie gesagt, hohe innere Spannungen.

Betreffend Ti0₂-Schichten ist bekannt, dass diese ebenfalls hohe Spannungen

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in der Grössenordnung bis zu 3600 kp pro cm besitzen ( W. Heitmann,

Applied Optics, Vol. 10, Nr.12, Seite 2685, Dezember 1971). In den beiden erwähnten Literaturstellen wird empfohlen, man sollte versuchen, die Schichtsysteme aus Einzelschichten derart aufzubauen, dass die Zugspannungen der einen Schicht durch die Druckspannungen der anderen Schichtsubstanz kompensiert werden. Bei der beschränkten Auswahl an für die jeweilige Anwendung in Frage kommenden Schichtsubstanzen ist diese Aufgabe aber meist kaum zu lösen und gerade für MgF^TiO^j-Schichtsysteme scheint sie unlösbar, denn bei beiden erwähnten Schichtsubstanzen treten, wie aus den zitierten Literaturstellen zu entnehmen ist, hohe Zugspannungen auf, die sich also nicht gegenseitig kompensieren können. Wechselschichtsysteme aus TiO₂ und MgF₂ sind deshalb (besonders bei Schichtanordnungen mit grossen Schichtzahlen) oft insofern unbefriedigend, als sie viele sehr feine Haarrisse aufweisen (H. Anders "Dünne Schichten für die Optik", Stuttgart, 1965, Seite 164) und infolge des an den Rissen gestreuten Lichtes trüb erscheinen. Wegen ihrer sonstigen guten Eigenschaften aber möchte man gerade diese beiden Schichtsubstanzen für Anwendungen als Interferenzfilter gern verwenden.

Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine neue Anordnung für ein MgFg/T^-Wechsel schi chtsystein anzugeben, welche wesentlich weniger Haarrisse bildet, d.h. praktisch rissefrei bleibt und von der Unterlage nicht abplatzt, auch wenn das System aus vielen Einzel schichten, z.B. mehr als 10 Schichten besteht. (Bei 10 Schichten traten bisher üblicherweise bereits Risse auf).

Die erfindungsgemässe Dünnschichtanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Unterlage und dem optisch wirksamen Mehrschichtsystem zusätzlich wenigstens eine weitere MgF^- und eine TiCL-Schicht als Hilfsschichten eingeschoben sind, deren Dicke weniger als 1/5 der mittleren Einzelschichtdicke der Schichten des optisch wirksamen Systems beträgt.

Vorzugsweise wird ein ganzes Paket aus alternierenden, als Hilfsschichten dienenden MgF₂- und TiCL-Schichten eingeschoben und wird die mittlere Einzelschichtdicke der Hilfsschichten höchstens A/40 der Bezugswellenlänge des optisch wirksamen MgF^TiO^-Mehrschichtsystems gewählt (Unter Bezugswellenlänge wird hier jene Wellenlänge verstanden, die bei der Berechnung des Systems zugrunde gelegt wird, um im Bereich dieser Wellenlänge je nach Zielsetzung eine maximale Reflexion oder Transmission zu erhalten).

Möglicherweise beruht der durch die Erfindung erzielte Fortschritt darauf, dass die sehr dünnen Hilfsschichten ein "Gleiten" des auf den Hilfsschichten aufliegenden optisch wirksamen Systems aus dickeren Schichten zulässt, ohne dass die Bindung des Systems an die Unterlage dadurch geschwächt wird. Mit einer solchen Hypothese könnte man erklären, dass das System der optisch wirksamen dünnen Schichten bei einer erfindungsgemässen Anordnung dank dem Htlfsschichtsystem auf der Unterlage so gut haftet, wie wenn es direkt mit dieser verbunden wäre, andererseits aber infolge des Gleitenkönnens nicht reisst, wie dies der Fall wäre, wenn es mit der Unterlage starr verbunden wäre.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die anliegende

Figur 1 zeigt den Aufbau einer Dünnschicht-Anordnuno· bestehend aus vier Schichten optisch wirksamer Dicke und mit einem Hilfsschichtsystem aus sechs wesentlich dünneren Einzel schichten;

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem ein Hilfsschichtsystem zwischen optisch wirksamen Schichten eingebaut ist (wobei der Glasträger zusammen mit dem ersten Teil der optisch wirksamen Schichten die Unterlage für das darauffolgende Hilfsschichtsystem und ein weiteres optisch wirksames System im Sinne des Patentanspruchs 1 bildet.

In Figur 1 bedeutet:

1 die Unterlage;

2 ein Hilfsschichtpaket bestehend aus 10 Schichten TiO₂/MgF₂ im Wechsel. (Die optische Schichtdicke der Einzel schichten beträgt Äo/40, die Bezugswellenlänge λ ο ist 550 nm).

3 eine TiOp-Schicht der optischen Dicke

4 eine

5 eine

6 eine

In Figur 2 bedeutet:

7 die Unterlage

8 und 10 eine TiO₂-Schicht der optischen Dicke Ao/4

9 und Π eine MgF₂-Schicht "

12 ein Schichtpaket bestehend aus 8 Schichten TiO_?/MgF₂ im Wechsel. (Die optische Schichtdicke der Einzelschichten beträgt in diesem Beispiel Ao/50).

13 und 15 eine TiCL-Schicht der optischen Dicke Ao/4

14 und 16 eine MgF₂-Schicht "

An den gestrichelten Stellen (zwischen den Schichten 4 und 5 in Fig. 1 bzw. 9 und 10 sowie 14 und 15 in Fig. 2 sind weitere MgF₂- bzw. TiO_? von λ o/4 optischer Dicke angeordnet entsprechend dem im gegebenen Fall vorgesehenen optisch wirksamen Mehrschichtsystem.

Die Brechwerte der TiO₂- bzw. MgF^Schichtsubstanzen betragen in beiden Beispielen 2.3 bzw. 1.38. Zu beachten ist, dass die Schichtdicken nicht in richtigem Masstab im Vergleich zur Unterlage und untereinander gezeichnet werden konnten.

Die Schichten können durch bekannte Verfahren wie Aufdampfen im Vakuum oder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht werden. Das Aufbringungsverfahren selbst ist aber nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung; diesbezüglich sei auf die umfangreiche Spezial!iteratur verwiesen.

Claims

PATENTANSPRUECHE

1. Dünnschichtanordnunq mit einem auf einer Unterlaqe aufqebrachten optisch wirksamen Mehrschichtsystem aus abwechselnd Mc^- und TiCL-Schichten mit einer mittleren ODtischen Dicke der Einzelschichten von weniqstens 100 nm, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Unterlage und dem optisch wirksamen Mehrschichtsystem zusätzlich wenigstens eine weitere- MgF„- und eine Ti^-Schicht als Hilfsschichten eingeschoben sind, deren Dicke weniger als 1/5 der mittleren Einzel schichtdicke der Schichten des optisch wirksamen Systems beträgt.

2. Dünnschichtanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennz e i c h η e t, dass ein Paket aus mehreren alternierenden MgF_?- und TiOp-Schichten eingeschoben ist.

3. Dünnschichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Einzel schichtdicke der Hilfsschichten höchstens λ/40 der Bezugswellenlänge des optisch wirksamen Mehrschichtsystems beträgt.

4. Dünnschichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage aus einem bereits mit Schichten belegten Träger besteht.

5. Dünnschichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch wirksame Mehrschichtsystem aus wenigstens 10 Einzelschichten besteht.