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Laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches
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schicht optisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung Die
Erfindung betrifft ein laserstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches schichtoptisches
Bauelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Die Erfindung ist im optischen Gerätebau für oxidische schichtoptische
Bauelemente, beispielsweise Spiegel, Filter oder Strahlungsteiler u. a. sowie bei
der Herstellung solcher Bauelemente in Vakuumbeschichtungsanlagen anwendbar.
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Darüber hinaus können das vorgeschlagene Bauelement und das Verfahren
zu seiner Herstellung in allen anderen Bereichen der Technik eingesetzt werden,
in denen die Vermeidung von Zerstörungen durch intensive Laserstrahlungen notwendig
ist und dieser Forderung entsprechende Bauelemente benötigt werden, wie z. B.
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in der Optoelektronik, Mikroelektronik und auf dem Gebiet der integrierten
Optik Die im Vergleich zu kompakten optischen Bauelementen bzw. deren Oberflächen
sehr viel geringere Beständig keit von optischen dLinnen Schichten gegenüber intensiver
Photonenbestrahlung stellt gegenwärtig einen wichtigen, die Energiefluenz von Laseranlagen
berenzenden, Faktor dar. Durch diesen Faktor werden
die apertur
und damit die Kosten von Eochleistungslaseranlagen bestimmt.
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Aufgrund ihrer hohen Gebrauchswerteigenschaften, wie mecanische und
chemische Stabilität, werden gegenwärtiZ im Spektralbereich vom nahen UV bis zum
nahen IR vorrangig Oxidschichten bzwO oxidische Schichtsysteme eingesetzt, so daß
sich das Interesse an einer Verbesserung der Laserstrahlungsfestigkeit vor allem
auf diesen Schichtsubstanzkreis bzw die daraus gefertigten schichtoptischen Bauelemente
bezieht.
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Über die zur Erhöhung der lJaserstrahlungsfestigkeit führenden physikalischen
und chemischen Ursachen besteht noch weitestgehende Unklarheit bzw existieren zum
Teil gegensätzliche Auffassungen. Diesem Sachverhalt ist auch zuzurechnen, daß auf
diesem Gebiet noch mit weitgehender Empirie gearbeitet wird und nur schwer reproduzierbare
Ergebnisse erreicht werden können, was sich auch in der Fachliteratur, die dieser
Problematik gewidmet ist, niederschlägt (H. E) Bennet et. al. Appl. Opt. 19 (1980)
5. 2375), Der Fachwelt ist es bisher nur gelungen einige Teillösungen zu erarbeitet
Ein generelles Lösungsprinzip wird, bedingt durch fehlende theoretische Grundlagen,
noch vermißt Eine erste Gruppe von Maßnahmen zur Erhöhung der Laserstrahlungsfestigkeit
ist allgemein bekannt und bezieht sich auf Anderungen des Schichtsystemaufbaus (Schichtdesign).
Durch geeignete Änderungen der Schicht dicken werden die Maxima der Feldstärke der
einfallenden Strahlung von den einzelnen Schichtgrenzflächen weg in das Innere der
Schicht verlagert, da diese Grenzflächen erfahrungsgemäß die geringste Laserfestigkeit
aufweisen. Dies hat aber systemtheoretisch notwendig einen nachteiligen Einfluß
auf das Reflexions- bzw
Transmissionsvermögen und erfordert im weiteren
hohen Aufwand bei der Schicht dickenkontrolle während des Herstellungsprozesses.
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Weiterhin ist bekannt, daß zusätzliche niedrigbrechende Lambda/2-Schichten
zu einer Verbesserung der Laserfestigkeit von herkömmlichen oxidischen Schichtsystemen
führen (W. H. Lowdermilk et. al.
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Thin Solid Films 73 (1980), S. 155). Diese Lösung erfordert ebenfalls
erhöhten Aufwand bei der Schichtherstellung und deren Kontrolle und ist nur von
geringer Effektivität.
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Eine zweite Gruppe von Maßnahmen bezieht sich, gemäß der letztgenannten
Literaturstelle, auf Verbesserungen der Reinheit der Schicht substanzen und der
Sauberkeit der Substrat oberfläche. Dies kann aber, aufgrund der geringen Rolle
der Sauberkeit der SubstratoberflEche bei vielen Dünnschichtbauelemente (z. B. Verspiege
lungsbeläge) und der relativ niedrigen Wirksamkeit nur begleitende und nicht alleinige
Maßnahme seina Nachteilig ist hier weiterhin der Aufwand für notwendige Vor- oder
Nacharbeiten, Mit den gleichen vorgenannten Nachteilen behaftet ist auch eine von
D. Milam et. al. in Appl. Opt. 21 (1982), S, 3689 vorgeschlagene.Methode: Durch
nachträgliches Tempern lassen sich Absorptionsverluste verringern und damit die
Laserfestigkeit geringfügig erhöhen.
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Eine dritte Gruppe von Maßnahmen bezieht sich auf eine Optimierung
der Schichteigenschaften, wie beispielsweise Absorption, Schichtporosität, Brechzahl
oder Langzeitstabilität, die in direktem oder indirektem Zusammenhang mit den Laserzerstörungsschwellen
der optischen Dünnschichtbauelemente stehen. Solche Optimierungen werden aus ökonomischen
und zweckmäßigen
Gründen hauptsächlich durch Variation von Depositionsparametern
bei den zur Herstellung der Bauelemente in der Regel angewandten physikalischen
Schichten positionsverfahren (Aufdampfen, Sputtern u. a.) durchgeführt, Dabei werden
zumeist die fundamentalen Verfahrensbedingungen (Prozeßparameter), insbesondere
Substrattemperatur, Beschichtungsrate und Partialdruck in der Vakuinniammer variiert.
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So ist von S. H. Apfel in Thin Solid Films 73 (1980) S. 167 und Ce
K. Carniglia in Thin Solid Pilms 77 (1981)9 S. 225 eine inverse Korrelation zwischen
Laserresistenz und Absorption festgestellt worden.
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Die Absorption kann wiederum durch den Sauerstoffpartialdruck in der
Vakuumkammer beeinflußt werden.
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Der daraus ableitbare Weg zur Verbesserung der Las erresistenz von
Oxidschichten durch Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks beim Aufdampfen ist jedoch
nur nachgewiesenermaßen bis zu bestimmten Grenzen gangbar. Einerseits gilt die Korrelation
Laserreslstenz/Sauerstoffpartialdruck nur für Absorptionswerte größer 10 4, d. h,
für Schichten die den Verlustanforderungen an dielektrische optische Schichten kaum
genügen. Andererseits haben solche hohen Sauerstoffpartialdrücke negative Auswirkungen
auf eine Reihe weiterer Gebrauchswerteigenschaften (mechanische und chemische Stabilität,
Schichtporosität u. a.).
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Untersuchungen hierzu finden sich in E. Ritter: J. Vac. Sci. u. Technol.
3 (1966) S. 225.
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Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines absorptionsfreien
oxidischen schichtoptischen Bauelements mit hoher Laserstrahlungsfestigkeit sowie
die Angabe eines ökonomischen und auf zusätzlichen technologischen Aufwand verzicht
endes Herstellungsverfahren für derartige Bauelemente.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungsmöglichkeiten für
eine unmittelbare Erhöhung der Laserstrahlungsrezistenz der einzelnen Schichten
selbst bereits während ihres Dargestellungsprozesses zu finden Die zu erarbeitende
Lösung soll dabei insbesondere ökonomisch aufwendige Veränderungen des Schichtsystemaufbau
und/oder zusätzlichen technologischen Aufwand, hauptsächlich Vor- bzw Nacharbeit,
vermeiden und auf alle absorptionsfreien optischen Dünnschichtbauelemente anwendbar
sein, Die Aufgabe wird durch ein laßerstrahlungsfestes absorptionsfreies oxidisches
schicht optisches Bauelement bestehend aus mindestens einer, auf einem beliebigen
Substrat angeordneten und mindestens ein Metalloxid enthaltenden Schicht dadurch
gelöst, daß die Anzahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome um mindestens
2 % größer ist als die Anzahl an Sauerstoffatomen, die zur Einhaltung des stöchiometrischen
Atomzahlverhältnises Sauerstoff/Metall für die in der Schicht enthaltenen Metalloxidverbindung
in ihrer jeweils höchsten Wertigkeitsstufe entsprechend notwendig ist Für Ta2O5;
Nb203 und SiO2 als schichtbildende Metalloxidverbindung ergeben sich vorteilhafte
Ausführungsformen, wenn der erfindungsgemäße Sauerstoffüberschuß 2 % beträgt, Entsprechend
gilt bei TiO2-Schichten ein ueberschuß von 8 % und bei ZrO2-Schichten ein Uberschuß
von 5 % als zweckmäßig.
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Die Lösung der Aufgabenstellung gelingt weiterhin mit einem Verfahren
zur Herstellung laserstrahlungsfester absorptionsfreier oxidischer schichtoptischer
Bauelemente mittels Vakuumbeschichten in einer Sauerstoff als Reaktionsgas enthaltenen
Restgasatmosphäre, wobei unter an sich bekannten und variierbaren Verfahrensbedingungen
durch Überführen einer Quellen-
substanz in die Gasphase einer
chemischen Reaktion der Qeilensubstanz in der Gasphase mit der Rest gasatmosphäre
und Abscheidung einer überwiegend aus den Reaktionsprodukten der Reaktion bestehenden
Schicht auf einer beliebigen Substratunterlage, mindestens eine Schicht auf dieser
Substratunterlage aufgebracht wirdg die wenigstells ein Metalloxid enthält, dadurch,
daß während der Überführung der Quellensubstanz in die Gasphase, der Reaktion der
Quellensubstanz mit der Restgasatmosphäre und der Abscheidung der Schicht auf der
Subst rat unterlage Verfahrensbedingungen vorhanden sind, die einen gezielten zusätzlichen
Einbau von Sauerstoff in die Schicht um mindestens 2 % größer gewährleisten, als
das zur Einhaltung einer vollständigen Stöchiometrie für die in der Schicht enthaltenen
Metalloxidverbindungen in ihrer höchsten Wertigkeitsstufe notwendig ist.
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Eine einfache, vorteilhafte Möglichkeit für den erfindungsgemäßen
zusätzlichen Einbau von Sauerstoff in die Schicht ergibt sich, wenn der Einbau mittels
Ionenimplantation nach der Abscheidung der Schicht auf der Substratunterlage erfolgt.
Auch erweist es sich als zweckmäßig, wenn der Sauerstoff in der Restgasatmosphäre
in ionisierter Form enthalten ist Die nach dem im vorgenannten näher beschriebenen
Verfahren hergestellten und mit den angegebenen erfindungsgemäßen Schicht eigenschaften
versehenen schicht optischen Bauelemente zeichnen sich durch eine bisher nicht erreichte
Laserfestigkeit aus. Dabei werden Veränderungen im Schichtsystemauibau vermieden,
der Aufwand zur Herstellung und die Kosten für die Bauelemente sind nicht erhöht.
Die vorstehend dargelegte erfindungsgemäße Lösung ist auf alle oxidischen schicht
optischen Bauelemente sowie bei deren Herstellungsverfahren anwendbar.
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Die Erfindung soll anhand eines Beispiels näher erläutert werden:
Das laserstrahlungsfeste absorptionsfreie oxidische schicht optische Bauelement
besteht aus einer, auf einem Glassubstrat angeordneten, Schicht aus Ta205.
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Die Zahl der in der Schicht gebundenen Sauerstoffatome ist um 2 %
größer, als die Zahl der Sauerstoffatom, die zur Einhaltung des stöchiometrischen
Atomzahlverhältnisses Sauerstoffftantal entsprechend notwendig ist.
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Die Realisierung des erfindungsgemäßen, zur Steigerung der Laserresistenz
von Oxidschichten geforderten 2 über dem stöchiometrischen Verhältnis liegenden
Sauerstoffgehaltes, unterliegt keinerlei Einschränkunden. Der Einbau kann mit Hilfe
von allen bekannten technischen Mitteln und Maßnahmen erfolgen, die zum Gaseinbau
in dünne Schichten während und/oder nach der Schicht darstellung führen. Besonders
zweckmäßig ist es jedoch, den erforderlichen Sauerstoffeinbau bereits unmittelbar
während der Schichtdarstellung mit den für optische Schichten gegenwärtig überlicherweise
verwendeten physikalischen Schichtdepositionsverfahren (Aufdampfen, Sputtern usw)
durch die Wahl von geeigneten Schichtdepositionsbedingungen herbeizuführen.
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Die Herstellung des schichtoptischen Bauelements mit der oben näher
bezeichneten Ta2O5-Schicht ist mit einem Verfahren möglich, das im folgenden ebenfalls
näher erläutert werden soll Bei diesem Verfahren ergeben die angegebenen Verfahrensbedingungen
einen gezielten zusätzlichen Einbau von Sauerstoff in die Schicht um 2 % größer,
als das zur Einhaltung einer vollständigen Stöchiometrie für die Ta205-Schicht notwendig
ist.
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In der Vakuumkammer einer Hochfre quenzplasnia-Sput t erbeschichtungsanlage
befindet sich ein Target aus Tantal oder Tantaloxid als Quellensubstanz. Das Target
befindet. sich im direkten oder vermittelten Kontakt mit der Kathode, die mit einer
hochfrequenten Spannung im Megaherzbereich belegt ist und diese um ca. 1 000 bis
4 000 V negativ gegenüber der auf Erdpotential liegenden Vakuumkammer der :3putteranlage
macht. Die Anode der Sputteranlage befindet sich auf Erdpotential, kann aber auch
um einige 10 V gegenüber dem Erdpotential negativ gemacht werden, In unmittelbarer
kathodenseitiger Nähe der Anode befindet sich die Substratpalette auf die, in unmittelbarem
Kontakt, ein Glassubstrat als Substratunterlage aufgesetzt ist. Es kann allerdings
auch die Anode selbst als Substrat palette dienen. Es ist möglich, Einrichtungen
zum Heizen oder Kühlen des Glassubstrats vorzusehen.
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In die Vakuumkammer mündet eine mit regulierbarem Ventil versehene
Leitung für die Zuführung des Sputtergases. Die Vakuumkammer wird vor Beginn des
Beschichtungsprozesses bis zu einem Druck der Restgasatmosphäre 4 4 . 10-4 4 Pa
evakuiert und danach ein Argon/Sauerstoff-Sputtergasgemisch bis zu einem Totaldruck
von rund 2,6 Pa eingelassen. Der Sauerstoff dient als Reaktionsgas und kann gegebenenfalls
ionisiert vorliegen bzw. im Verlaufe des Prozesses ionisiert werden.
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Nach Einlaß des Sputtergasgemisches wird durch Anlegen einer H?-Spannung
von ca. 2 000 V zwischen Kathode und Anode eine Gasentladung mit einer Leistungsdichte
von ca. 3 bis 4 W/cm² gezündet, die zur Überführung der Quellensubstanz in die Gasphase
führt. Die abgestäuben Teilchen bzw. deren Reaktionsprodukte reagieren mit dem Sauerstoff
in der Restgasatmosphäre
und schieden sich als dünne Schicht auf
dem Glassubstrat ab, wobei in der Schicht überwiegend die Reaktionsprodukte vorhanden
sind.
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Als weitere Verfahrensbedingungen sind vorhanden: eine unter 200 °C
liegende, vorzugsweise Raumtemperatur betragendeg Substrattemperatur und ein Sauerstoffgehalt
des Sputtergemisches, der ca b0 bis 70 % des Totaldriickes beträgt.
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Die Einhaltung aller vorgenannten Verfahrensbedingungen gewährleistet
den erfindungsgemäß erforderlichen Sauerstoffüberschuß.
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Diese Verfahrensbedingungen sollen aber nicht als Einschränkung auf
die jeweils angegebenen Werte verstanden werden. Entscheidend ist die Tatsache,
daß solche Verfahrens bedingungen gewählt werden, die den erfindurigsgemäß geforderten
Einbau von zusätzlichem Sauerstoff in die Schicht gewährleisten. Hierbei ist es
eben ohne weiteres möglich, wie an sich bekannt, Prozeßparameter zu variieren oder
gegebenenfalls andere Parameter zur Steuerung des Sauerstoffgehaltes heranzuziehen.
Dieser Sachverhalt ist irn übrigen auch bei der Übertragung der dargelegten Realisierungsmöglichkeit
auf andere Beschichtungsverfahren und Schichtsubstanzen zu berücksichtigen