DE4027472A1

DE4027472A1 - Dauerhafte, breitbandige Antireflexionsbeschichtung für Infrarotfenster

Info

Publication number: DE4027472A1
Application number: DE4027472A
Authority: DE
Inventors: Frank C Sulzbach
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1989-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2010-08-31
Also published as: US5502442A; US5510186A; DE4027472B4; GB9018608D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Antireflexionsbeschichtungen und insbesondere auf eine Antireflexionsbeschichtung, die gegenüber Umgebungseinflüssen und chemischen Einflüssen dau erhaft ist und für ein breites Infrarot-Energieband durch lässig ist; ferner bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Beschichtung.

Zur Erfüllung des Bedürfnisses, Infrarot-Strahlung zu über wachen oder zu erfassen, gibt es derzeit viele Anwendungs fälle, beispielsweise in Überschallflugzeugen und Flugkör pern. Sensoren arbeiten typischerweise im IR-Spektralbereich von 3 bis 5 µm. Fortschritte in der Sensortechnologie haben zu einem Bedarf für IR-Sensoren für Wellenlängen von 8 bis 12 µm geführt, und es erscheint derzeit so, daß noch weitere Fortschritte bei der Erfassung des gesamten Bereichs von 3 bis 12 µm gemacht werden können.

Verbesserungen der Sensortechnologie sind dadurch beeinträch tigt, daß keine geeigneten Materialien für IR-Abdeckhauben und Beschichtungen zur Verfügung stehen, die der Überschall aufheizung (im Bereich von 250°C), thermischen Schockbela stungen, der Erosion durch Regen, aerodynamischen Druckbe lastungen und Luftdruckgradienten ausgesetzt werden können. Außerdem ist es erwünscht, daß die Abdeckhauben chemisch inert sind und keinen chemischen Angriffen ausgesetzt wer den, und daß sie außerdem extrem haltbar und für den gesam ten Bereich von 3 bis 12 µm durchlässig sind.

Festigkeit und Durchlässigkeit im fernen Infrarotbereich sind typischerweise einander widersprechende Erfordernisse. Die Festigkeit erfordert starke Atom- und Molekularbindun gen, wie sie typischerweise mit Atomen mit niedrigem Atom gewicht und hoher Bindungsfähigkeit erzielt werden. Eine Durchlässigkeit bei langen Infrarot-Wellen bedeutet große reduzierte Massen und schwächere Bindungsfestigkeiten. Das Erfordernis, eine breitbandige Abdeckhaube für den Bereich von 3 bis 12 µm zu schaffen, stellt daher eine große tech nische Herausforderung dar.

In einem Artikel von Michael J. Mirtich u. a. mit dem Titel "The Use of Intermediate Layers to Improve the Adherence of Diamondlike Carbon Films on ZnS and ZnSE" im Journal of Vaccum Society Technology, A 4(6), Nov./Dez. 1986, Seiten 2680-2681, ist angegeben, daß diamantartige Kohlenstoffilme (DLC) die Fähigkeit beinhalten, optische Fenster beispiels weise aus ZnS und ZnSe zu schützen, wo es wichtig ist, die Integrität der spiegelartigen Durchlässigkeit des Fensters aufrechtzuerhalten. Mirtich et al. geben an, daß die DLC- Filme haftend und dauerhaft sein müssen, so daß sie die Fenster gegen Regen und Teilchenerosion und auch gegen chemi sche Angriffe schützen. In dem Artikel ist aufgeführt, daß das Aufbringen einer dünnen Zwischenschicht aus Germanium (Ge) oder Silizium (Si) den DLC-Filmen ermöglicht, an den Zinksulfid- oder Zinkselenid-Fenstern zu haften. Insbeson dere geben Mirtich et al. an, daß es gemäß ihrer Fig. 4 "zwar eine Reduzierung der Durchlässigkeit bei kürzeren Wel lenlängen gibt, jedoch bei 10 µm nur ein Verlust von 1% auftritt. Diese Reduzierung könnte durch eine richtige Aus wahl der Dicken von DLC und Ge eliminiert werden, die ermög licht, daß die Kombination zu einer reflexionsfreien Be schichtung wird".

Die in dem Aufsatz von Mirtich et al. beschriebenen Mate rialien haben einige schwerwiegende Einschränkungen. ZnS ab sorbiert im Bereich von 10 bis 12 µm, und ZnSe ist weich und arbeitet bei rauhen Umgebungsbedingungen nicht gut. Außerdem machen Mirtich et al. von einer sehr dünnen Verbindungs schicht aus Ge oder Si mit DLC Gebrauch, die zu einem Fen ster führt, das hauptsächlich bei 10 µm, nicht aber im Be reich von 3 bis 12 µm durchlässig ist, was aber wesentlich vorteilhafter wäre. Außerdem geht aus dem Aufsatz von Mirtich et al. keine Beschichtung hervor, die eine beliebig dicke erste Verbindungsschicht und zusätzlich abwechselnde Schichten aus DLC und Verbindungsschichten enthält, damit eine Durchlässigkeit im Bereich einer Größenordnung von 3 bis 12 µm erhalten wird.

Mit Hilfe der Erfindung soll daher eine IR-Abdeckhaube oder ein IR-Fenster mit Beschichtung geschaffen werden, das für eine IR-Strahlung im Bereich von 3 bis 12 µm durchlässig ist.

Ferner soll mit Hilfe der Erfindung eine IR-Abdeckhaube oder ein IR-Fenster mit Beschichtung geschaffen werden, das dauer haft, sehr widerstandsfähig gegen Regenerosion und nicht durch chemische Angriffe beschädigbar ist.

Auch soll mit Hilfe der Erfindung eine IR-Abdeckhaube oder ein IR-Fenster mit Beschichtung geschaffen werden, das ver besserte Eigenschaften bezüglich der Empfindlichkeit auf den Einfallswinkel und bezüglich der Durchlässigkeit aufweist.

Mit der Erfindung soll eine reflexionsfreie Beschichtung geschaffen werden, bei der wenigstens eine Schicht benutzt wird, deren Brechungsindex nahe dem Brechungsindex des Fen sters ist.

Ferner soll mit Hilfe der Erfindung ein Verfahren zur Schaf fung einer IR-Abdeckhaube oder eines Fensters mit Beschich tung geschaffen werden, das sowohl praktisch als auch wirt schaftlich ausgeführt werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein IR-Fenster und Beschichtungen mit erfin dungsgemäßem Aufbau,

Fig. 2 ein Diagramm des Reflexionsgrades abhängig vom Einfallwinkel für das IR-Fenster und die Be schichtungen von Fig. 1,

Fig. 3 bis 5 Diagramme der Durchlässigkeit abhängig von der Wellenlänge für ein GaAs-Fenster, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist und mit unter schiedlich dicken Überzugsschichten versehen ist,

Fig. 6 bis 8 Diagramme der Durchlässigkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge für ein GaP-Fenster, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist und mit un terschiedlich dicken Beschichtungen versehen ist.

Bisher bekannte IR-Fenster und Beschichtungen waren nicht den rauhen Umgebungsbedingungen und Luftgeschwindigkeiten ausgesetzt, die derzeit bei vielen Waffensystemen erforder lich sind. Beispielsweise fliegen Überschallflugzeuge und Flugkörper zukünftig mit Geschwindigkeiten von Mach 0.8 bis Mach 6. Regenerosion, d. h. auf die Fenster und Beschichtun gen prasselnder Regen, beschädigt oder zerstört bei diesen Geschwindigkeiten die meisten derzeit bekannten IR-Fenster und Beschichtungen. Außerdem sind die Anforderungen so, daß diese neuen Fenster und Beschichtungen die Fähigkeit haben müssen, chemische Angriffe zu überstehen und bei großen Ein fallswinkeln, d. h. von 0 bis 80°, durchlässig zu sein. Die Fenster und Beschichtungen müssen auch hohen Temperaturen über 250°C widerstehen können und zwischen 3 bis 5 und 8 bis 12 µm durchlässig sein.

Kombinationen von Materialien, die in der Vergangenheit be nutzt wurden, waren für die Erfüllung dieser Anforderungen unbrauchbar. Beispielsweise ist ZnSe weich (nicht dauerhaft), obgleich es gute Durchlässigkeitseigenschaften hat. ZnS ist zwar billig und gegen Regenerosion ziemlich widerstandsfähig, doch hat es eine geringe Durchlässigkeit bei den größeren Wellenlängen. Germanium zeigt andererseits über 50°C thermi sche Veränderungen.

In Fig. 1 ist ein IR-Fenster mit einer Antireflexionsbe schichtung dargestellt, das extrem haltbar ist und im Be reich zwischen 3 bis 12 µm durchlässig ist. Das Halbleiter fenster 10 hat typischerweise einen Brechungsindex zwischen 2,9 und 3,5; in der bevorzugten Ausführung besteht es aus Galliumarsenid (GaAs) mit einem Brechungsindex von etwa 3,3; es können auch andere Materialien wie Galliumphosphid (GaP) mit einem Brechungsindex von 2,9 verwendet werden. Für die hier vorliegende Beschreibung wird angenommen, daß das Fen ster 10 aus GaAs besteht.

GaAs-Materialien, wie das Fenster 10, arbeiten gut bei hohen Temperaturen (über 250°C) und hohen Luftgeschwindigkeiten, jedoch verhält sich GaAs bei ungünstigen Wetterbedingungen, beispielsweise unter dem Einfluß der Regenerosion, nicht gut. Es ist daher erwünscht, auf dem Fenster 10 eine Beschich tungslage 12 anzubringen, damit die Haltbarkeit erhalten und die Verbindung mit nachfolgenden Schichten verbessert wer den. Da es das Ziel ist, eine maximale Durchlässigkeit im Bereich von 3 bis 12 µm bei hoher Dauerhaftigkeit zu errei chen, ist es erwünscht, daß der Brechungsindex der Beschich tungslage 12 mit dem Brechungsindex des Fensters 10 überein stimmt, was bedeutet, daß die Beschichtungslage ebenfalls einen Brechungsindex zwischen 2,9 und 3,5 haben sollte. Das bevorzugte Material für die Beschichtungslage 12 ist Si, da dessen Brechungsindex etwa 3,4 beträgt, der sehr nahe dem Brechungsindex von GaAs ist, der etwa 3,3 beträgt. Es können jedoch auch andere Materialien wie Ge verwendet werden.

Unter Verwendung der Fresnel'schen Reflexionskoeffizienten gleichung

für die gilt:
Ro = Reflexionskoeffizient
n1 = Brechungsindex von Si = 3,3
n2 = Brechungsindex von GaAs = 3,4
ergibt sich der Reflexionskoeffizient an der Grenze zwischen Si und dem GaAs von

In Prozenten ausgedrückt, beträgt der Reflexionsgrad an der Grenze 0,022%. Die Durchlässigkeit durch die aus Si beste hende Beschichtungslage ist daher hoch. Silizium ist äußerst beständig gegen Regen und Chemikalien, und es ist ein ausge zeichnetes Verbindungsmittel für Schichten aus diamantartigem Kohlenstoff (DLC). Außerdem kann die Beschichtungslage 12 für eine strukturelle und optische Integrität beliebig dick sein, ohne daß dadurch die Durchlässigkeit durch das Fenster 10 beeinflußt wird. Diese Eigenschaft, eine beliebig dicke Beschichtungslage vorzusehen, ohne die optischen Eigenschaf ten der Antireflexionsbeschichtung zu beeinflussen, wird an schließend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 8 näher erläutert.

Die mehrlagige Beschichtung 14 aus den Schichten 16, 18 und 20 ergibt die Antireflexions- und Haltbarkeitseigenschaften der Erfindung. In der bevorzugten Ausführung bestehen die Schichten 16 und 20 aus diamantartigem Kohlenstoff, während die Schicht 18 aus Silizium besteht. Die Schicht 18 könnte aber auch aus GaP, GaAs, Ge oder einem ähnlichen geeigneten Material bestehen, jedoch ist Silizium dauerhafter und ein besseres Bindemittel für DLC. Der Brechungsindex der Schicht 18 liegt zwischen 2,7 und 4,0 und sollte vom Brechungsindex von DLC deutlich verschieden sein. Bei Verwendung von Si und DLC für die Schichten 12, 16, 18 und 20 wird es möglich, ein breites IR-Durchlaßband sowie eine extreme Haltbarkeit und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Regenerosion, ein chemisch inertes Verhalten und eine Unempfindlichkeit gegen chemische Angriffe bei Betriebstemperaturen über 250°C zu erzielen.

Außerdem ist es erwünscht, daß das Fenster und die Beschich tungen eine IR-Strahlung 22 bei großen Einfallswinkeln Φ_o (gemessen bezüglich der Senkrechten zur Oberfläche) durch lassen. Wenn die Schichten so optimiert wurden, daß die höchste Durchlässigkeit bei Φ_o = 70° erzielt wurde, hatten die Schichten die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Abmessungen:

Schicht
Dicke µm
Si-Schicht 12	0,73
DLC-Schicht 16	0,24
Si-Schicht 18	0,14
DLC-Schicht 20	0,78

Fig. 2 zeigt den Reflexionsgrad in Prozent für das Fenster und die Beschichtung in der obigen Tabelle in Abhängigkeit vom Einfallswinkel Φ_o der ankommenden IR-Strahlung 22 (Fig. 1). Es sei bemerkt, daß die Kurve des Reflexionsgrades von Fig. 2 der durchschnittliche Reflexionsgrad für IR-Wellen längen im Bereich von 3,2 bis 5,0 und von 7,6 bis 11,0 µm darstellt.

In den Fig. 3 bis 5 ist die prozentuale Durchlässigkeit in Abhängigkeit von der in µm angegebenen Wellenlänge des GaAs-Fensters von Fig. 1 mit den in der obigen Tabelle ange gebenen Abmessungen der Schichten 16, 18 und 20 dargestellt. Fig. 3 zeigt dabei die Durchlässigkeitskennlinie bei einer Si-Schicht 12 von 0,73 µm (Nennausführung). Fig. 4 zeigt die Durchlässigkeit der Schicht 12 bei der hundertfachen Nenn dicke, also bei etwa 73 µm. Fig. 5 zeigt die Durchlässigkeit der Schicht 12 bei einem Zehntel der Nenndicke, also bei 0,073 µm. Wie zu erkennen ist, kann die Schicht 12 zur Ver besserung der Haltbarkeit der Beschichtung beliebig dick sein, ohne daß die Durchlässigkeit durch das Fenster und die Schichten stark beeinflußt wird. Ferner ist zu erkennen, daß die Durchlässigkeit in den Bereichen von 3 bis 5 und 8 bis 12 µm optimiert ist. Die gerade gestrichelte Linie 30 bei der Durchlässigkeit von 73,6% in den Fig. 3 bis 5 reprä sentiert die maximale Durchlässigkeit durch das GaAs-Fenster 10 und die Schichten 12 und 16 bis 20 unter der Annahme, daß auf der Seite 24 (Fig. 1) des Fensters 10 keine Antire flexionsbeschichtung vorhanden ist, das Fenster 10 also un beschichtet ist.

In den Fig. 6 bis 8 sind die gleichen Diagramme wie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt, mit der Ausnahme, daß für das Fenster 10 anstelle von GaAs das Material GaP verwendet wird. Die gerade gestrichelte Linie 40 bei 76,3% repräsen tiert die maximale Durchlässigkeit durch das GaP-Fenster 10 und die Schichten 12 und 16 bis 20 ohne Antireflexionsbe schichtung auf der Seite 24 (Fig. 1) des Fensters 10. Die Fig. 6 bis 8 zeigen, daß die Schicht 10 für GaP ebenfalls beliebig dick sein kann und dennoch eine optimale Durchläs sigkeit in den Bereichen von 3 bis 5 und 8 bis 12 µm ergeben.

Gemäß den obigen Ausführungen kann die Si-Schicht 12 zwar beliebig dick sein, jedoch scheint die optimale Dicke bei etwa 30 µm zu liegen; abhängig von der jeweiligen Anwendung kann diese Dicke von 20 bis 2000 µm reichen. Ferner wurde festgestellt, daß bei den in der obigen Tabelle angegebenen Materialien die DLC-Schicht 16 und die Si-Schicht 18 dünner als 0,5 µm sind und die DLC-Schicht 20 dünner als 1 µm ist.

Die Siliziumschichten 12 und 18 können unter Verwendung eines im Vakuum arbeitenden Beschichtungsgeräts aufgebracht werden, wie es beispielsweise von der deutschen Firma Leybold hergestellt wird. Dieses Beschichtungsgerät erzeugt die Si-Schicht unter Verwendung einer Elektronenstrahlkanone als Quelle bei einem Druck, der 2,666 mbar oder weniger bei Zimmertemperatur beträgt. Die (Ar+)-Ionenstrahlkanone arbei tet bei etwa 70 eV. Das Aufbringen der Si-Schichten dauert abhängig von der gewünschten Dicke zwischen 3 und 15 Stunden.

Die DLC-Schichten 16 und 20 können auf der Oberseite der Siliziumschichten 12 und 18 durch HF-Plasmazersetzung eines Kohlenwasserstoffgases abgeschieden werden, wie in der US-PS 4 382 100 angegeben ist. Die Bildung/Abscheidung der DLC- Schichten dauert etwa zwei Stunden.

Die Erfindung ist hier zwar im Zusammenhang mit einer spe ziellen Ausführung beschrieben worden, doch können offen sichtlich im Rahmen der Erfindung ohne weiteres Änderungen oder Abwandlungen vorgenommen werden.

Claims

1. Ultraharte, breitbandige Antireflexionsbeschichtung für ein Fenster, gekennzeichnet durch ein Halbleiterfenster mit einem Brechungsindex zwischen 2,9 und 3,5, eine Beschich tungslage zur Erzielung der Dauerhaftigkeit und zur Verbin dungsförderung auf dem Fenster, eine erste diamantartige Kohlenstoffschicht auf der Beschichtungslage, eine Halblei terschicht auf der ersten diamantartigen Kohlenstofflage mit einem Brechungsindex zwischen 2,7 und 4,0 und eine zweite diamantartige Kohlenstoffschicht auf der zweiten Bindungs lage.

2. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster aus GaAs besteht und daß die Beschichtungs lage und die Halbleiterschichten aus Silizium bestehen.

3. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der Beschichtungslage etwa gleich dem Brechungsindex des Fensters ist.

4. Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Fensters etwa 3,3 beträgt und daß der Brechungsindex der Beschichtungslage etwa 3,4 beträgt.

5. Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungslage zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Umgebungseinflüsse beliebig dick ist.

6. Beschichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungslage eine Dicke im Bereich von 20 bis 2000 µm hat.

7. Beschichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungslage eine Dicke von 30 µm hat.

8. Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Silizium bestehende Beschichtungslage und die zweite DLC-Schicht jeweils dünner als 1 µm sind und daß die erste DLC-Schicht und die zweite Siliziumschicht jeweils dünner als 0,5 µm sind.

9. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster aus GaP besteht.

10. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung so optimiert ist, daß IR-Strahlung das Fenster im Bereich von 3 bis 5 µm und im Bereich von 8 bis 12 µm durchdringen kann.

11. Ultraharte, Zwei-Band-Antireflexionsbeschichtung für ein IR-Fenster, gekennzeichnet durch eine erste Silizium schicht mit vorbestimmter Dicke, eine erste diamantartige Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von weniger als 0,5 µm auf der ersten Siliziumschicht, eine zweite Siliziumschicht mit einer Dicke von weniger als 0,5 µm auf der ersten dia mantartigen Kohlenstoffschicht und eine zweite DLC-Schicht mit einer Dicke von weniger als 1 µm auf der zweiten Sili ziumschicht zur Erzeugung einer Beschichtung, die Strahlung im Bereich von 3 bis 5 µm und im Bereich von 8 bis 12 µm durchläßt.

12. Verfahren zum Herstellen einer ultraharten, Zwei-Band- Antireflexionsbeschichtung für ein Fenster, dadurch gekenn zeichnet, daß zunächst eine erste Siliziumschicht mit vorbe stimmter Dicke erzeugt wird, daß auf der ersten Silizium schicht eine erste diamantartige Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von weniger als 0,5 µm erzeugt wird, daß auf der ersten diamantartigen Kohlenstoffschicht eine zweite Sili ziumschicht mit einer Dicke von weniger als 0,5 µm erzeugt wird und daß auf der zweiten Siliziumschicht eine zweite DLC-Schicht mit einer Dicke von weniger als 1 µm erzeugt wird, damit eine Beschichtung entsteht, die Strahlung im Bereich von etwa 2 bis 5 µm und im Bereich von etwa 7 bis 12 µm durchläßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Siliziumschicht durch eine ionenunterstützte Elek tronenstrahlaufbringung hergestellt wird.