DE3830089C2

DE3830089C2 -

Info

Publication number: DE3830089C2
Application number: DE19883830089
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 6500 Mainz De Ackermann; Heinz-Werner Dr. 6392 Neu-Ansbach De Etzkorn; Ralf Th. Prof. Dr. 6239 Bremthal De Kersten; Volker Paquet; Uwe 6500 Mainz De Ruetze
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1988-09-03
Filing date: 1988-09-03
Publication date: 1990-07-05
Also published as: DE3830089A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von planaren, mit dielektrischen Schichtsystemen versehenen Glassubstraten, die als reflektierende, entspiegelnde oder polarisierende Optiken eingesetzt werden können, aus Rohren.

Planare, mit dielektrischen Schichtsystemen versehene Glassubstrate werden als reflektierende, entspiegelnde oder polarisierende Optiken eingesetzt. Üblicherweise werden für die Erzeugung der Schichten Aufdampf- und Sputtertechniken eingesetzt, so z. B. Elektronenstrahlverdampfen, Ionplating, Sputtering, Ionbeam-Sputtering, Ion Beam Assisted Deposition usw. Nachteilig bei diesen Verfahren ist jedoch, daß die so hergestellten Schichten nicht die Eigenschaften, insbesondere nicht die geringe Absorption, die Brechzahl und die Kompaktheit des Ausgangsmaterials aufweisen. Ferner ist die Schichtanzahl von hoch-/niedrigbrechenden Materialpaaren auf einige 10 bis maximal etwa 100 Schichten begrenzt. Weiterhin lassen sich mit den bekannten Verfahren auch keine perfekten Schichten erzielen, so daß innerhalb der Schichten noch gewisse Verluste (z. B. Absorption) von Licht auftreten, die bei manchen Anwendungsfällen, z. B. bei der Reflexion hochenergiereicher Laserstrahlen, sehr negative Auswirkungen zeigt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu finden, das es erlaubt, mit dielektrischen Schichtsystemen versehene planare Glassubstrate herzustellen, bei denen die einzelnen Schichten von höchster Reinheit und Perfektion sind und bei denen die mögliche Zahl von Schichten ganz erheblich höher als bei den bisherigen Schichtsystemen sein kann.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 4 beschriebenen Verfahren gelöst.

Die Verfahren machen sich die Tatsache zunutze, daß bei den bekannten, für die Innenbeschichtung von rohrförmigen Glasrohlingen für die Herstellung von Lichtleitfasern benutzten Plasmabeschichtungsverfahren dielektrische Schichten höchster Qualität erzeugbar sind. Diese Verfahren sind dem Fachmann wohlbekannt und z. B. beschrieben in "Journal of the Electrochemical Society, Band 123, Nr. 7, Juli 1976, Seiten 1079 bis 1083, D. Küppers et al.: "Codeposition of Glassy Silica and Germania Inside a Tube by Plasma-Activated CVD" oder in EP-OS 5 963, GB-OS 20 79 267, US-PS 42 62 035 oder US-PS 43 49 582. Von diesen plasmainduzierten Abscheideverfahren sind die gepulsten Verfahren, insbesondere das PICVD-Verfahren, wie es z. B. in US-PS 43 49 582 (= DE-AS 30 10 314) oder unter anderen Plasmaverfahren in "Journal of Optical Communications" 8 (1987), 4, S. 122-129 beschrieben sind, besonders geeignet.

Der Aufbau von dielektrischen Schichten zur Herstellung von reflektierenden, antireflektierenden oder polarisierenden optischen Elementen an sich ist Stand der Technik und z. B. in dem Standardwerk: H. A. Macleod, Thin film optical filters, Adam Hilger Lim LT, Bristol, UK, erschöpfend beschrieben. Sobald die Innenfläche des Rohres mit der gewünschten Anzahl dielektrischer Schichten belegt worden ist, wird das Rohr zu einem planaren Körper verformt. Diese Verformung eines Rohres zu einem planaren Körper ist für sich ebenfalls wohlbekannt.

Die Verformung kann einmal erfolgen durch Kollabieren des Glasrohres zu einem planaren Körper. Dabei wird das Rohr einseitig erhitzt, so daß es beim Zusammenfallen einen flachen sandwichartigen Körper bildet.

Die erforderliche Wärme für das Erhitzen kann in Form von thermischer, optischer oder elektrischer Energie zugeführt werden. Das Zusammenfallen des Rohres zu dem sandwichartigen Körper kann durch Anlegen eines Unter drucks im Rohr unterstützt werden.

Eine weitere Möglichkeit des Kollabierens des Glasrohres besteht darin, das Glasrohr auf seine Erweichungstemperatur zu erwärmen und dann das erweichte Glasrohr durch eine mechanische Verformung wie Flachdrücken oder Flachwalzen in den planaren Zustand zu überführen (etwa analog zu z. B. US-PS 45 29 426).

Das Innere des auf diese Weise flachkollabierten Rohres weist das gewünschte planare Schichtpaket auf. Die Schichtdicken bleiben bei diesem Kollabier prozeß unverändert. Das Schichtpaket ist weiterhin durch das Material des benutzten Ausgangsrohres nach außen hin geschützt. An den Rändern ist es natürlich deformiert und daher nicht brauchbar; sollte dies stören, so kann der brauchbare Teil aus dem Sandwich herausgeschnitten werden.

Da beim Kollabieren die Schichten der "oberen" und "unteren" Hälfte des Glasrohres aufeinander zu liegen kommen, enthält der fertige planare Körper doppelt so viel Schichten, wie ursprünglich in dem Rohr erzeugt worden sind. Die innerste Schicht des planaren Körpers, die ja aus der aufeinander gelegten innersten Schicht des Glasrohres besteht, hat somit die doppelte Stärke im Vergleich zu den übrigen Schichten. Bei der Belegung des Glas rohres mit den Schichten ist daher darauf zu achten, daß die zuletzt er zeugte, d.h. innerste dielektrische Schicht in dem Glasrohr nur mit der halben Sollstärke erzeugt wird, damit nach dem Kollabieren des Glasrohres alle Schichten die Solldicke besitzen. Es ist weiterhin einleuchtend, daß die Schichten zur innersten Schicht gesehen symmetrisch aufgebaut sind, was bei der Abfolge der verschiedenen Schichten (Schicht-Design) zu berücksichtigen ist. Da jedoch die Anzahl der Schichten sehr hoch sein kann (einige 100 bis einige 1000), bedeutet die Symmetrie keine Einschränkung beim Schicht-Design.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist das aus den dielektrischen Schichten bestehende Schichtenpaket nach außen hin durch Glasschichten begrenzt bzw. geschützt. Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, bei denen bevorzugt ist, wenn das Schichtenpaket außen ist und der Lichtstrahl, bevor er auf das Schichtenpaket stößt, nicht erst eine Glasschicht passie ren muß. Derartige Anordnungen sind z. B. als Frontspiegel für hochenergie reiche Lichtstrahlen geeignet, die beim Durchtritt durch eine Glasschicht in dieser Veränderungen hervorrufen würden. Derartige planare Schicht systeme mit außenliegenden Schichten lassen sich dadurch herstellen, daß das mit der Innenbeschichtung versehene Rohr in Axialrichtung, d. h. längs, aufgetrennt, aufgeschnitten oder aufgesprengt wird, daß man das Rohr dann auf Erweichungstemperatur bringt, das erweichte Rohr längs der Trennaht aufklappt und anschließend das aufgeklappte Rohr einebnet. Die Techniken zur Erzeugung eines planaren Körpers aus einem zylindrischen durch Aufschneiden in Längsrichtung und Strecken sind bereits aus der Anfangszeit der Fenster- und Spiegelglasproduktion allgemein bekannt. Bei einem solchen Glassubstrat mit außenliegendem Schichtsystem ist es empfehlenswert, wenn das Schichtenpaket nach außen hin durch eine vorzugs weise 1-5 µm starke SiO₂-Schicht als Schutzschicht abgeschlossen wird.

Die Größe der erzeugbaren planaren beschichteten Substrate hängt von dem Durchmesser der innenbeschichteten Rohre ab. Man wird sich üblicherweise bemühen, möglichst Rohre mit großem Durchmesser einzusetzen, da dann die entstehenden planaren Substrate eine große brauchbare Fläche besitzen. Als Rohre können nicht nur die üblichen Rohre mit rundem Querschnitt ein gesetzt werden, sondern auch Rohre mit eckigem, insbesondere rechteckigem Querschnitt, z. B. Vierkantrohre.

Bei Verwendung von Vierkantrohren können diese an den Kanten aufgetrennt werden. Die erhaltenen Innenseiten können ohne Umformschritt eingesetzt werden.

Das Verfahren erlaubt die Herstellung von planaren Glassubstraten, die mit einer bis dahin unerreichten Anzahl von dielektrischen Schichten höchster Güte versehen werden können.

Beispiel 1

Gemäß dem in Journal of Optical Communications 8 (1987) 4, S. 125-128 beschriebenen Plasma-Impuls CVD (PICVD)-Verfahren wurde ein 125 cm langes Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser von 17 mm und einer Wandstärke von 1,4 mm auf einer Länge von 65 cm beschichtet. Die Frequenz des Mikro wellengenerators betrug 2,45 GHz, die Impulsdauer betrug 1,3 ms und die Impulspause 11 ms. Die mittlere Mikrowellenleistung betrug 0,75 KW, das Quarzglasrohr hatte eine Temperatur von 1100°C. Der Druck im Beschichtungs bereich betrug 3 mbar, es wurde ein Massenfluß von 50 ml/min SiCl₄-Gas, 2 ml/min CF₂Cl₂-Gas und 200 ml/min O₂-Gas aufrechterhalten. Zusätzlich wurde noch ein sinusförmig zwischen 0 und 5 ml/min schwankender GeCl₄- Gasstrom zugegeben. Die Sinus-Periodendauer betrug 8,1 s. Die Beschichtungs dauer betrug insgesamt 8100 s, was 1000 hoch- und 1000 niedrigbrechenden Schichten entspricht. Die Beschichtungsrate bzw. das im Rohr erzeugte Schichtdickenwachstum betrug etwa 1,7 µm/min.

Das beschichtete Quarzrohr wurde auf eine Temperatur von etwa 2000°C erhitzt und zwischen zwei mit Inertgas gespülten Walzen aus Kohlenstoff zu einem Streifen flachgedrückt. Der Reflexionsgrad des Streifens liegt oberhalb 0,99.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde wiederholt mit dem einzigen Unterschied, daß statt eines runden Rohres ein Rohr mit einer rechteckigen Querschnittsfläche von 10×22 mm² (lichte Weite) eingesetzt wurde. Die Beschichtungsrate betrug etwa 2 µm/min. Aus dem beschichteten Rechteckrohr wurden die Breitseiten mittels einer Diamantsäge herausgeschnitten. Im Gegensatz zu der Beschichtung des runden Rohres war nur der mittlere Bereich der Breitseiten brauchbar, da die Dicke der Beschichtung in der Nähe der Kanten des Rechteckrohres abnahm. Die Breite des nutzbaren mittleren Bereichs des Breitseitenstreifens betrug etwa 11 mm, was etwa 50% der Gesamtbreite von 22 mm entsprach. Der Reflexionsgrad des Streifens im nutzbaren Bereich lag oberhalb 0,99.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von planaren, mit dielektrischen Schichtsystemen versehenen Glassubstraten, die als reflektierende, entspiegelnde oder polarisierende Optiken eingesetzt werden können, aus Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche eines Rohres mit einer gewünschten Anzahl dielektrischer Schichten belegt wird und daß durch Flachkollabieren des Glasrohres der planare Körper erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr durch einseitiges Erhitzen mit oder ohne Unterdruck im Rohr flachkollabiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr durch Erweichen und anschließendes Flachdrücken flachkollabiert wird.

4. Verfahren zur Herstellung von planaren, mit dielektrischen Schichtsystemen versehenen Glassubstraten, die als reflektierende, entspiegelnde oder polarisierende Optiken eingesetzt werden können, aus Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche eines Rohres mit einer gewünschten Anzahl dielektrischer Schichten belegt wird und daß durch axiales Auftrennen des Rohres, Aufklappen des erweichten Rohres längs der Trennaht und anschließendes Einebnen der planare Körper erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit wenigstens einer ebenen Oberfläche versehenes Rohr beschichtet wird und daß durch Abtrennen der ebenen Oberfläche von dem Rohr der planare Körper erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr mit quadratischer oder rechteckiger Querschnittsfläche verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Rohres mittels eines Plasma-Abscheideverfahrens belegt wird.