DE60005393T2

DE60005393T2 - Wärmeabsorbierender filter und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE60005393T2
Application number: DE60005393T
Authority: DE
Inventors: Muriel Firon; Eric Monterrat; Jerôme MONNOT
Original assignee: ALM ARDON; Commissariat a lEnergie Atomique CEA; ALM SA
Current assignee: ALM ARDON; Maquet SAS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: ATE250234T1; US6844976B1; DE60005393D1; JP2003515196A; EP1232407A2; EP1232407B1; FR2801684A1; WO2001038246A3; FR2801684B1; WO2001038246A2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrtifft einen wärmeabsorbierenden Filter und ein Verfahren zur Herstellung dieses Filters.
Ein wärmeabsorbierender Filter kann zum Beispiel benutzt werden, um eine OP-Beleuchtung zu filtern, die von einer Lichtquelle erzeugt wird, die Energie oder Strahlung in den Bereichen des sichtbaren und des infraroten Lichts emittiert. Es muss ermöglichen, das durch diese Quelle abgestrahlte Licht zu filtern, um zu vermeiden, dass die infrarote Strahlung das Operationsteam oder den Patienten stört.
Dieser Filter muss die größeren bzw. größten Wellenlängen blockieren und dabei neutral bleiben im Sinne der Farberkennung durch das menschliche Auge im sichtbaren Bereich. Die kleineren bzw. kleinsten Wellenlängen können ebenfalls absorbiert oder reflektiert werden durch den Filter.
Außer auf dem Gebiet der OP-Beleuchtung kann ein solcher Filter auch für eine ärztliche bzw. zahnärztliche Behandlungslampe, eine Bürolampe, ein Beleuchtungssystem durch optische Fasern, eine Verglasung, ein optisches Projektionssystem, eine Glühlampe usw. benutzt werden.
Stand der Technik
Im Rahmen der OP-Anwendung oder "chirurgischen Beleuchtung" wird dieser Filtertyp aus einem für die IR-Strahlung opak dotierten Glas hergestellt.
Das Transmissionsspektrum dieses dotierten Glases bei einer Dicke von 3 mm ist in der beigefügten 1 mit 1 bezeichnet und wird verglichen mit dem Transmissionsspektrum eines gewöhnlichen Glases von 3 mm Dicke, das mit 3 bezeichnet ist. In dieser Figur ist auf der Ordinatenachse die interne Transmission T aufgetragen und auf der Abszissenachse die Wellenlänge λ in nm.
Eine Multischicht-Behandlung dieses dotierten Glases, bei der SiO₂- und Nb₂O₅-Schichten abgeschieden werden, ermöglicht, seine Transmission in dem sichtbaren Bereich zu verbessern, um einen wärmeabsorbierenden Filter zu realisieren, in der Folge Dotierglasfilter genannt. Die optischen Leistungen dieses Filters sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben:
Tabelle 1
Trotz dieser guten Leistungen ist der dotierte Glasfilter ein teures Material, das zudem in feuchter und warmer Umgebung nicht gut funktioniert. Zum Beispiel ist es in den Ländern mit tropischem Klima notwendig, diesen Filter vor Feuchtigkeit und UV-Strahlung durch eine zusätzliche SiO₂-Schicht zu schützen, was seine Herstellungskosten erhöht.
Das Dokument GB-A-2324098 beschreibt einen wärmeabsorbierenden Filter mit einem Glassubstrat, einer Schicht aus einem IR-Reflexionsmaterial, einem einen Interferenzfilter bildenden Überzug, der eine sich N-mal wiedefiolende Stapelungsgruppe aus einem ersten und einem zweiten Film mit der Brechzahl n₁ und n₂ umfasst.
Das Dokument US-A-5341238 beschreibt einen wärmeabsorbierenden Filter mit einem Substrat, einer ITO-Schicht, einem Multischicht-Interterenzfilter und einem zweiten Interferenzfilter. Der zweite Filter ist so konzipiert, dass er die Strahlung in einem schmalen sichtbaren Band reflektiert, zum Beispiel die Strahlung eines HeNe-Lasers.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die oben genannten Nachteile zu beseitigen, indem sie einen kostengünstigen wärmeabsorbierenden Filter liefert, der die in dem sichtbaren Bereich oder dem Bereich des sichtbaren Spektrums und dem IR-Bereich erforderüchen Eigenschaften hat.
Dieser wärmeabsorbierende Filter umfasst ein Substrat, wenigstens eine Schicht aus einem IR-Reflexionsmaterial und einen Überzug, der in dem sichtbaren Bereich einen Interterenzfilter bildet.
Insbesondere liefert die vorliegende Erfindung einen wärmeabsorbierenden Filter mit einem Substrat, einer Schicht aus einem IR-Reflexionsmaterial, die wenigstens eine Fläche des Substrats bedeckt, und einer einen Interferenzfilter in dem sichtbaren Bereich bildenden Beschichtung, welche die genannte Schicht aus dem IR-Reflexionsmaterial bedeckt.
Das Substrat kann aus Glas sein, zum Beispiel aus gewöhnlichem transparentem Glas, oder aus Kunststoff. Das Glassubstrat hat zum Beispiel bei einer Dicke von 2 mm eine Transparenz von 30% bei ungefähr 3 μm.
Wenn das Substrat aus Kunststoff ist, kann es in bestimmten Fällen notwendig sein, dass es Temperaturen von 200 bis 300°C aushält, insbesondere dann, wenn die Fertigungstechnik des Filters Verarbeitungen bei diesen Temperaturen erfordern.
Das IR-Reflexionsmaterial kann ein durchlässiges leitfähiges Oxid sein, zum Beispiel Zinn-dotiertes Indiumoxid (ITO). Diese Metalloxide sind in der Bauindustrie, zum Beispiel für Verglasungen, gut bekannt, da sie das sichtbare Licht durchlassen und das infrarote Licht reflektieren.
Indem man die chemische Zusammensetzung des transparenten leitfähigen Oxids variiert, ist es möglich, das IR-Reflexionsniveau und die Übergangswellenlänge zwischen einem dielektrischen, das heißt transparentem Verhalten, und einem metallischen, das heißt reflektierendem Verhalten zu modifizieren. Dies ist zum Beispiel bei ITO der Fall.
Nach der Erfindung kann das Zinn-dotierte Indiumoxid ein Sn/In-Verhältnis aufweisen, das von ungefähr 9 bis 11 Massenprozent gehen kann und zum Beispiel ungefähr 10 Massenprozent beträgt. Ein Verhältnis mit ungefähr 10 Massenprozent ermöglicht, ein maximales Reflexionsniveau zu erzielen.
Andere reflektierende Materialien können verwendet werden, zum Beispiel Materialien wie Gold, Silber oder Aluminium. Aber sie sind auch Reflektoren im sichtbaren Bereich. Es ist daher nötig, sie in sehr dünnen Schichten von zum Beispiel ungefähr 10 nm abzuscheiden, um eine ausreichende Transmission beizubehalten.
Nach der Erfindung kann die ein Interterenzfilter im sichtbaren Bereich bildende Beschichtung wenigsten eine sich N-mal wiederholende Stapelungsgruppe aus mindestens einem ersten Film und mindestens einem zweiten Film bilden, wo die genannte Stapelungsgruppe eine Wechselfolge von erstem Film und zweitem Film ist, wobei der erste Film eine Dicke L oder ein Vielfaches der Dicke L aufweist und durch ein erstes Material gebildet wird, das eine Brechzahl n₁ hat, und der zweite Film eine Dicke H oder ein Vielfaches der Dicke N hat und durch ein zweites Material gebildet wird, das eine Brechzahl n₂ hat, wobei N eine ganze Zahl ist und H und L geometrische Dicken sind, und wo N, H, L, n₁ und n₂ so sind, dass die einen Interferenzfilter bildende Beschichtung ein Transmissionsfenster aufweist, das zwischen 400 und 800 nm liegt.
Die Definition der geometrischen Dicke ergibt sich durch einen auf irgendeinem Substrat abgeschiedenen Film, oder einer dünnen Schicht, und einer Bezugswellenlänge λ₀. Diese Schicht mit der Dicke e hat eine Brechzahl des Werts n für diese Bezugswellenlänge. Wenn man die Schicht mit einer Quelle I₀ der Wellenlänge λ₀ beleuchtet, interteriert der Teil der Lichtstrahlung I₁, der an der ersten Grenzfläche reflektiert wird, das heißt an der Luft-Schicht-Grenzfläche, mit der Lichtstrahlung I₂, die an der zweiten Grenzfläche reflektiert wird, das heißt an der Schicht-Substrat-Grenzfläche, wie dies die beigefügte 16 zeigt.
Die Phasenverschiebung der Welle I₂ in Bezug auf die Welle I₁ wird durch das Passieren der Schicht verursacht und beträgt
cosθ. Wenn sie gleich (2p + 1)π ist, mit p als ganzer Zahl, und in dem Maße, wie der Wert der Brechzahl des Substrats kleiner ist als derjenige der Brechzahl der abgeschiedenen Schicht, sind die Interterenzen destruktiv und die Reflexion ist minimal bei λ₀. Für diese Wellenlänge wird die Schicht Viertelwellenlängen-Schicht genannt und wird mit H bezeichnet, wenn die Brechzahl hoch ist, und mit L, wenn die Brechzahl niedrig ist. θ ist der Brechungswinkel des Strahls beim Eintritt in das Medium mit der Brechzahl n. Im Allgemeinen arbeitet man mit einem Normal-Eintrittwinkel und cosθ ist 1.
Wenn man p = 0 setzt, erhält man
π, so dass die Dicke eines Viertelwellenlängenplättchens also e = λ₀/4n beträgt. Diese Dicke wird mit H bezeichnet, wenn n eine hohe Brechzahl ist, und mit L, wenn n eine niedrige Brechzahl ist.
Die Architektur eines Stapels wird generell als Vielfaches von Viertelwellenlängen-Filmen oder -Schichten angegeben, was man die geometrische Dicke nennt. Der Vorteil einer solchen Bezeichnung besteht darin, dass man die Eigenschaften des Stapels spektral verschieben kann, indem man nur den Wert der Bezugswellenlänge in dem Maße ändert, wie die Brechzahl n zwischen den beiden Wellenlängen konstant ist.
Bei des InterFerenzbeschichtung kann das erste Material zum Beispiel SiO₂ sein, und das zweite Material kann TiO₂ sein. Zum Beispiel kann auch das erste Material SiO₂ sein und das zweite Material Si₃N₄. Jede weitere Materialpaarung mit einem dielektrischen Verhalten und verschiedenen Brechzahlwerten ist akzeptabel.
Wenn es sich um SiO₂ und TiO₂ handelt, kann die ein Interterenzfilter im sichtbaren Bereich bildende Beschichtung eine erste Stapelungsgruppe mit einer Wechselfolge des Typs 0,5L/H/0,5L, 8-mal wiedefiolt, bilden. Außerdem kann sie eine zweite Stapelungsgruppe mit einer Wechselfolge des Typs 0,65L/1,3H/0,65L, 8-mal wiedefiolt, umfassen.
Zum Beispiel kann das Substrat bei dem wärmeabsorbierenden Filter ein Glassubstrat sein, wobei die transparente, leitfähige Oxidschicht eine Zinn-dotierte Indiumoxidschicht sein kann und die einen Interferenzfilter im sichtbaren Bereich bildende Beschichtung eine Stapelung sein kann, in der sich SiO₂- und TiO₂-Filme abwechseln, wobei die Stapelung mit einem SiO₂-Film beginnt, abgeschieden auf der ITO-Schicht, und mit einem TiO₂-Film endet, in Kontakt mit der Umgebungsluft, und der Stapel 17 SiO₂-Filme und 16 TiO₂-Filme umfasst.
Wenn es sich um SiO₂ und Si₃N₄ handelt, umfasst die einen Interterenzfilter im sichtbaren Bereich bildende Beschichtung eine erste Stapelungsgruppe mit einer Wechselfolge des Typs 0,5L/H/0,5L, 6-mal wiederholt. Außerdem kann sie eine zweite Stapelungsgruppe mit einer Wechselfolge des Typs 0,65L/,1,3H/0,65L, 6-mal wiederholt, umfassen.
Der wärmeabsorbierende Filter kann außerdem eine Antireflexschicht und/oder eine kratzfeste Schicht umfassen.
Der Filter der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel verwendet werden in einem optischen System wie einer OP-Beleuchtung, einer Behandlungslampe, einer Lampe, einer Bürolampe, einem Lichtleitfaser-Beleuchungssystem, einer Verglasung, einem optischen Projektionssystem, einer Glühlampe, usw. Die vorliegende Erfindung betrifft also auch ein System mit einem solchen Filter nach der voriegenden Erfindung, zum Beispiel für eine OP-Beleuchtung oder eine Behandlungslampe, zum Beispiel für medizinische, ästhetische usw. Behandlungen.
Die Lichtquelle kann zum Beispiel eine Fadenlampe, eine Halogenlampe, eine Glühlampe usw. sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren eines wärmeabsorbierenden Filters mit wenigstens einer Schicht aus einem reflektierenden IR-Material und einer ein Interterenzfilter im sichtbaren Bereich bildenden Beschichtung.
Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Substrats,
b) Abscheiden – auf wenigstens einer Fläche dieses Substrats – einer Schicht aus einem IR-Reflexionsmaterial,
c) Abscheiden – auf dieser Schicht aus IR-Reflexionsmaterial – einer einen Interterenzfilter im sichtbaren Bereich bildenden Beschichtung.

Nach der Erfindung, entsprechend dem Beispiel, nach dem das IR-Reflexionsmaterial ein Zinn-dotiertes Indiumoxid (ITO) ist, kann dieses Material durch Magnetronsputtem auf dem Substrat abgeschieden werden, zum Beispiel mit Hilfe eines gesinterten Targets, dessen Zusammensetzung ungefähr 9 bis ungefähr 11 Massenprozent – zum Beispiel 10 Massenprozent – Zinnoxid in In₂O₃ enthält. Im Falle von ITO kann das erfindungsgemäße Verfahren außerdem einen Schritt a₁) zum Tempern des auf dem Substrat abgeschiedenen, IR-Reflexionsmaterials umfassen.
Wenn der Interterenzfilter wenigstens eine wie oben definierte, N-mal wiederholte Stapelungsgruppe umfasst, in der das erste Material SiO₂ ist und in der das zweite Material TiO₂ ist, kann der Schritt c) zum Abscheiden des Interferenzfilters ein Schritt zum Abscheiden der Filme sein, realisiert durch eine Vakuumverdampfungs- oder Sputtertechnik.
Das Abscheiden dünner Filme durch Vakuumverdampfung wird sehr häufig benutzt, um komplexe optische Funktionen zu realisieren. Bestimmte automatisierte Vorrichtungen können für die vorliegende Erfindung sehr nützlich sein, denn sie ermöglichen, Multischichten mit vier verschiedenen Materialien abzuscheiden.
Die Vakuumverdampfung kann zum Beispiel mittels einer Elektronenkanone erfolgen. Dieses Gerät dient der Ablenkung eines durch einen Glühfaden emittierten Elektronenstrahls in einen Tiegel, der das abzuscheidende Material enthält. Das Targetmaterial verdampft und kondensiert sich auf einem dem Tiegel gegenüberstehend angeordneten Substrat. Diese Methode ermöglicht, verschiedenartige Materialien wie Oxide und Metalle abzuscheiden.
Die Elektronenkanone kann zum Beispiel das Modell EVA 1200 (Schutzmarke) der französischen Firma Alliance Concept sein.
Im Falle der Oxide kann es nötig sein, Sauerstoff in den Behälter einzuspeisen, um die Stöchiometrie der Schichten zu verbessern. Der niedrige Arbeitsdruck von ca. 10^–2 bis 10^–3 Pa ermöglicht das Abscheiden dünner Filme von hoher Reinheit. Da jedoch die Energie der verdampften Arten kleiner als 1 eV ist, das heißt relativ gering, haben die Schichten oft eine Spaltenstruktur und sind nicht sehr dicht und nicht sehr haftfähig.
Um diese Struktur und die Haftfähigkeit zu verbessern, kann man die Schicht im Laufe des Wachstums mit einem Ionenstrahl bestrahlen. Es handelt sich dann unterstützte Verdampfung. Diese ionische Unterstützung kann zum Beispiel reaktiv sein, wenn man Sauerstoff Ionen benutzt, oder nicht-reaktiv, wenn man zum Beispiel Argon-Ionen benutzt. Die verschiedenen Abscheidungsparameter, wie Energie, Temperatur, Partialdrücke, Fluss oder Art der Ionen, tragen dazu bei, die optischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten zu optimieren.
Das Sputtem besteht darin, eine elektrische Entladung in einem gasförmigen Medium aus Edelgas oder reaktivem Gas zwischen der Katode, gebildet durch das abzuscheidende Material, und der Elektrode an der nächsten Masse zu realisieren. Die erzeugten Plasma-Ionen bombardieren das Target und die gesputterten Arten kondensieren sich auf dem Substrat.
Das Magnetron-Sputtem ist ein hochenergetisches Abscheidungsverfahren für die gesputterten Arten (einige eV). Die Haftfähigkeit der abgeschiedenen Schichten ist oft größer als bei der Verdampfung. Jedoch ist der Arbeitsdruck in dem Behälter höher, um ca. 0,1 bis 1 Pa, was eine gewisse Pollution bzw. Verunreinigung der Schichten erzeugen kann.
Die Struktur der Filme hängt im Wesentlichen von dem Druck und dem Abstand Target-Substrat ab. Außerdem erfordert die Abscheidung von Oxid entweder das Arbeiten mit Radiofrequenz, das heißt mit ungefähr 13,56 MHz, oder mit Gleichstrom bei einem metallischen Target in einem reaktiven Medium.
Im ersteren Fall ist die Abscheidungstemperatur um ca. 80°C höher als bei Gleichstrom und die Abscheidungsgeschwindigkeit ist niedriger.
Das Sputtem oder Magnetronsputtem wird zum Beispiel mit einer Magnetronsputtervorrichtung des Typs BAK 550 (Schutzmarke) der Firma Balzers, Liechtenstein, durchgeführt.
Nach der Erfindung – wenn der Interterenzfilter wenigstens eine N-mal wiederholte, wie oben definierte Stapelungsgruppe umfasst, bei der das erste Material SiO₂ ist und das zweite Material Si₃N₄ ist – kann der Abscheidungsschritt des Interterenzfilters ein Schritt zur Abscheidung der Filme sein, die durch eine Plasmaabscheidungstechnik realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung beruht insbesondere auf der Verbindung eines IR-Filters und eines Filters des UV- und sichtbaren Bereichs, abgeschieden auf einem Substrat aus gewöhnlichem Glas, sowie auf dem Beleuchtungsleistungsniveau dieses Filters.
Der Filter der vorliegenden Erfindung ermöglicht, die IR-Strahlung einer Beleuchtung wie etwa einer Glühlampe- zu filtern, ohne die Farbwahrnehmung durch das menschliche Auge zu stören.
Der Filter bietet auch im sichtbaren Spektralbereich eine hohe Transmission. Er ermöglicht, die Erwärmung der Beobachtungszone zu vermeiden und eine gute Farbwahrnehmung und einen guten Licht/Elektroleistungs-Wirkungsgrad der Beleuchtung zu garantieren.
Außerdem kostet er viel weniger als die Filter nach dem Stand der Technik, denn er verwendet ein Substrat, das ein gewöhnliches Glas sein kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen noch aus der nachfolgenden Beschreibung und ihren Beispielen hervor, bezogen auf die beigefügten, beispielartigen und nicht einschränkenden Figuren.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die 1 zeigt ein Transmissionsspektrum eines Glases des dotierten Typs und ein Transmissionsspektnam eines gewöhnlichen Glases.
Die 2 zeigt ein Transmissionsfenster im sichtbaren Bereich.
Die 3 zeigt die experimentellen und modellierten Reflexions- und Transmissionsspektren eines ITO-Films von 250 nm Dicke, abgeschieden auf einem Glassubstrat.
Die 4 zeigt ein Transmissionsspektrum eines nackten Glassubstrats von 2 mm Dicke.
Die 5 und 6 zeigen die Änderung der Brechzahlen, ermittelt durch Ellipsometrie, für jeweils SiO₂ und TiO₂ bei verschiedenen Abscheidungsverfahren.
Die 7 zeigt die Änderung des Extinktionskoeffizienten k, ermittelt durch Ellipsometrie, für TiO₂ bei verschiedenen Abscheidungsverfahren.
Die 8 zeigt die Brechzahländerung als Funktion der Spannung der Ionenkanone bei der TiO₂-Abscheidung.
Die 9 zeigt die Transmission eines Stapels N × (0,5L/H/0,5L) für verschiedene Werte von N mit λ₀= 880 nm.
Die 10 zeigt die Transmissionsspektren des Stapels N × (0,5L/H/0,5L) + N × (0,5mL/mH/0,5mL) auf einem Substrat für verschiedene Werte von m.
Die 11 zeigt die Wirkung des Tempems einer ITO-Schicht auf die optischen Eigenschaften dieser Schicht.
Die 12 zeigt eine parametrische Untersuchung verschiedener Spezifikationen in Abhängigkeit von der ITO-Dicke mit zwei 5-mal wiederholten Stapelungsgruppen entsprechend einer Architektur 5 × (0,65L/3H/0,65L) + 5 × (5H/L/5H)/ITO/Glas.
Die 13 ist eine Graphik, die die Verbesserung der Filterleistungen der Architektur mit der Anzahl-Stapelungen der SiO₂- und TiO₂-Filme darstellt.
Die 14 ist eine Darstellung einer parametrischen Untersuchung von verschiedenen Spezifikationen in Abhängigkeit von der ITO-Dicke mit einer Beschichtung, die einen Interferenzfilter bildet, der zwei 8-mal gemäß einer Architektur 8 × (5L/H/5L) + 8 × (0,65L/1,3H/0,65L)/ITO/Glas wiederholte Stapelungsgruppen umfasst.
Die 15 zeigt zum Vergleichen das theoretische Transmissionsspektrum des Filters der vorliegenden Erfindung und das erhaltene experimentelle Spektrum bei einer einen SiO₂/TiO₂-Interferenzfilter bildenden Beschichtung.
Die 16 ist ein Schema, das multiple Reflexionen des Lichts durch eine dünne und transparente Schicht darstellt.
Die 17 zeigt zum Vergleichen das thermische Transmissionsspektrum des erfindungsgemäßen Filters und das experimentell erhaltene Spektrum für eine einen SiO₂/SiO₂N₄-Interterenzfilter bildende Beschichtung.
Die 18 zeigt eine parametrische Untersuchung der Transmissionsleistungen (%) und der Farbtemperatur (K) in Abhängigkeit von der Dicke einer ITO-Schicht auf Glas mit einer einen SiO₂/SiO₂N₄-Interterenzfilter bildende Beschichtung, die zwei 8-mal wiederholte Stapelungsgruppen entsprechend einer Architektur 8 × (0,65L/3H/0,65L) + 8 × (5H/L/5H)/ITO/Glas umfasst.
BEISPIELE
A. Einführung
Die Erfinder haben in einer ersten Zeit die beiden Spektralbereiche getrennt. Sie präsentieren in der Folge den Schritt, der zur Definition der Architektur eines rein dielektrischen Stapels führt, um die Beschichtung zu bilden, die den Intererenzfilter im sichtbaren Bereich bildet.
Dieser wärmeabsorbierende Filter nach der Erfindung muss zum Beispiel den folgenden Spezifikationen im sichtbaren Bereich entsprechen:

– IR-Anteil an der Gesamtintensität des durchgelassenen Lichts (radiant énergétique RE) unter 4,5 mW/m². Lux,
– Sichtbare Transmission der vollständigen Kette (durchgelassene Lichtintensität im sichtbaren Spektralbereich) über 60%,
– Farbtemperatur der optischen Kette: zwischen 3500 und 4000 K,
– Farbwiedergabe in den Rotbereichen (R₉): über 50.

Anschließend wird der IR-Filterungsteil mit einem in diesem Bereich reflektierenden Material behandelt. Nachdem sie die optischen Eigenschaften von mehreren unter ihnen präsentiert haben, erklären sie ihre Wahl.
B. Bestimmung der Komponenten des Interterenzfilters im sichtbaren Bereich dielektrischer Filter.
Um das Herstellungsverfahren zu vereinfachen, ist die Wahl auf zwei unterschiedliche dielektrische Materialien des Oxid-Typs begrenzt: SiO₂ und TiO₂. Diese beiden Materialien haben einen starken Brechzahlkontrast von ungefähr Δn = 1, und verursachen keine speziellen Probleme bezüglich ihrer Beschaffung. Sie werden außerdem häufig in der optischen Industrie verwendet und sind Gegenstand einer umfangreichen Literatur.
Die Wahl der verschiedenen Komponenten erfolgte nach verschiedenen Kriterien:

– starke Brechzahlkontraste: die Interterenzeftekte sind markant und die Leistungen können mit weniger Filmen erzielt werden,
– Beschaffung und Kosten: diese Materialien sind im industriellen Milieu bestens bekannt und nicht teuer.

C. Bestimmung der Brechzahlen der Materialien
Brechzahlen und Wahl des Abscheidungsverfahrens.
Die nachfolgende Tabelle II rekapituliert die verschiedenen Abscheidungstechniken, die für jede Monoschicht (SiO₂ und TIO₂) getestet wurden.
Tabelle II Zusammenfassung der verschiedenen untersuchten Abscheidungsverfahren
Die optischen Eigenschaften jeder SiO₂- oder TiO₂-Einheitsschicht wurden bestimmt mittels spektroskopischer Ellipsometrie im Bereich UV-sichtbarer Bereich-nahes IR.
Um diese Operation zu erleichtern, wurden die gemessenen Schichten auf Silicium abgeschieden. Obgleich Silicium im sichtbaren Bereich nicht optimal ist, da es bei kurzen Wellenlängen schwierig ist, die Absorption der Schicht von der des Substrats zu trennen, sind doch seine optischen Eigenschaften bestens bekannt und seine Opazität im sichtbaren Bereich ermöglicht, nicht durch die Reflexionen auf der Rückseite des Substrats gestört zu werden.
Um die Charakteristika des Films herauszufinden, ist das am häufigsten benutzte Modell das Cauchy-Modell, dessen Ausdruch der reellen Brechzahl folgender ist: n = An + Bnλ–2 + Cnλ–4
Die herausgefundenen Eigenschaften eines dielektrischen Materials sind also: ein konstanter n-Wert bei den großen Wellenlängen und eine wesentliche Zunahme dieses Werts, wenn die Wellenlänge abnimmt, was heißt, dass die Frequenzen, indem sie zunehmen, sich dem "Gap"-Wert nähern, welcher der Energielücke entspricht. Bei Materialien, deren Absorption nicht vernachlässigbar und durch Ellipsometrie messbar ist, das heißt für Werte von k in der Größenordnung von 10^–3 oder mehr, kann das Modell der Urbach-Schlange bzw. des Urbach-Schwanzes (queue d'Urbach) für k exponential abnehmend von UV gegen die größeren Wellenlängen benutzt werden.
Man setzt also:
Der Koeffizient 1240 kommt von der Tatsache, dass die Erfinder in nm gearbeitet haben, während das Phänomen physikalisch in Energieeinheiten (eV) beschrieben wird.
Sie haben versucht, experimentelle und berechnetet Spektren so gut wie möglich zu überlagern, indem sie numerisch die 5 Parameter A_n, B_n, C_n, A_k, B_k angepasst haben.
Die gewählte Abscheidungstechnik ist die, welche ermöglicht, für jedes Material die optischen Charakteristika zu erhalten, die den Charakteristika der massiven Materialien nahe kommen, mit dem stärksten beobachtbaren Brechzahlkontrast zwischen den beiden Oxiden.
Die bei den verschiedenen abgeschiedenen Schichten erhaltenen Resultate sind für n in den 5 und 6 angegeben und für k in der 7.
In den 5 und 6 gibt die Abszissenachse die Wellenlänge λ in nm an und die Ordinatenachse gibt die Brechzahl n des Materials an und in der 7 gibt sie den Koeffizienten k an. Die 5 wurde mit SiO₂ realisiert und die 6 mit TiO₂. Die Legende der 5 ist ebenfalls für die 6 und 7 gültig.
Das Bezugszeichen 9 gibt die einfache Verdampfung an, das Bezugszeichen 11 eine unterstützte Verdampfung, das Bezugszeichen 13 eine reaktive Verdampfung, das Bezugszeichen 15 eine unterstützte reaktive Verdampfung, das Bezugszeichen 17 eine reaktive unterstützte Verdampfung und das Bezugszeichen 19 eine reaktive unterstützte reaktive Verdampfung.
Bezüglich des Siliciumdioxids ist festzustellen, dass der Wert des Absorptionskoeffizienten k von SiO₂ nicht mittels Ellipsometrie messbar ist, denn er ist kleiner als 13^–3. Es wurde also k_SIO2 = 0 gesetzt. Die Brechzahl von SiO₂ variiert wenig in Abhängigkeit von den Abscheidungsbedingungen: bei 600 nm variiert sie von 1,46 bis 1,485.
Die kleinsten Werte von n und die, welche denen des massiven Materials am nächsten kommen, erhält man im Falle der einfachen Verdampfung, der unterstützten Verdampfung, der reaktiven Verdampfung und der reaktiv unterstützten reaktiven Verdampfung.
Im Falle des TiO₂ beobachtet man die kleinsten Werte von n in dem Fall der einfachen Verdampfung und der reaktiven Verdampfung. Es ist der stärkste Brechzahlkontrast, den man erhalten muss; das gewählte Verfahren ist folglich die unterstützte Verdampfung oder die reaktive unterstützte reaktive Verdampfung.
Außerdem ist die Absorption der Titanoxidschichten die kleinste in dem Fall der reaktiven Verdampfung, der unterstützten reaktiven Verdampfung und der reaktiv unterstützten reaktiven Verdampfung.
Durch Elimination wird die reaktiv unterstützte reaktive Verdampfung gewählt. Dies scheint der beste Kompromiss zwischen einem guten Brechzahlkontrast und einer schwachen Absorption von TiO₂ zu sein. Um die Brechzahl dieses letzteren zu optimieren, wurde die Energie der den Film oder die Schicht während des Wachstums mittels einer Ionenkanone bestrahlenden Ionen erhöht.
Die 8 zeigt die Brechzahländerung in Abhängigkeit von der Spannung der Ionenkanone. In dieser Figur gibt die Abszissenachse die Brechzahl n an und die Ordinatenachse die Wellenlänge λ in nm. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 21 die Kurve, die man mit einer Spannung der Ionenkanone von 100 V und 2 A erhält und das Bezugszeichen 23 die Kurve für 160 V und 2 A.
Wenn die Spannung der Kanone zunimmt, nimmt die Brechzahl zu. Wenn die Energie noch erhöht wird, halten sich die Abscheidung des Materials und seine Erosion durch die Ionen die Waage. Zudem kann eine stärkere Energie Defekte, Absorptionsquellen, erzeugen.
Die Brechzahlen der Einheitsfilme oder -schichten wurden durch Ellipsometrie bestimmt, indem das Cauchy-Modell benutzt wurde. Die erhaltenen Parameter sind die folgenden:
A_n, B_n und C_n sind die Cauchy-Parameter für diese Materialien.
Bezüglich des Absorptionskoeffizienten k von TiO₂ sind die erhaltenen Parameter die folgenden:
Ak = 4,1 × 10^–3, Bk = 5,7, λ₀ = 0,4 μm.
Diese Parameter liefem einen k-Wert von k = 4,1 × 10^–3 bei 400 nm.
Als die Brechzahlwerte der Einheitsschichten bestimmt waren, konnte der dielektrische Filter realisiert werden.
D. Berechnung des Interterenzfilters im sichtbaren Bereich
Die Erfinder haben sich entschieden, das Problem in zwei Schritten zu behandeln: der erste betrifft den sichtbaren Bereich und der zweite den IR-Bereich. Die oben für jeden dieser beiden Bereiche vorgegebenen Spezifikationen sind aufgrund eines idealen Films in dem kompletten Spektrum von 300 bis 3000 nm bestimmt worden und haben einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss aufeinander.
Sie haben den sichtbaren Bereich behandelt und die Charakteristika eines Filters bestimmt, so wie sie gewissen, diesem Spektralbereich eigenen Spezifikationen entsprechen (T_vis, T°c. Diese Charakteristika sind nach dem zweiten Schritt überprüft worden.
Die folgenden Werte wurden als Ausgangspunkt benutzt:
T ≤ 0,1 fürλ ≤ 400 nm
T ≥ 0,9 für 440λ ≤ λ590 nm
T = 0,7 für λ = 690 nm
T ≤ 0,03 für λ > 770 nm
Diese Gruppe von Zielwerten beschreibt ein Transmissionsfenster, das in der 2 dargestellt ist. In dieser Figur repräsentiert T(%) die Transmission in% und λ die Wellenlänge in mm. Sie, die Erfinder, haben eine Stapelung gesucht, die ein Transmissionsfenster zwischen ungefähr 450 und 750 nm hat. Sie sind von folgender Architektur ausgegangen: Luft/N × (0,5L/H/0,5L)/Substrat, welche die in der 9 dargestellten Transmissionsspektren in Abhängigkeit von dem Wert von N liefert.
In dieser Figur repräsentiert die Abszissenachse die Wellenlänge in nm und die Ordinatenachse die Transmission in Prozent. Das Bezugszeichen 25 gibt die mit N = 3, das Bezugszeichen 27 die mit N = 5 und das Bezugszeichen 29 die mit N = 7 erhaltene Kurve an.
Man stellt in dieser Figur fest, dass das Wachstum der Anzahl der Stapelungen, also der Schichten, einen abrupteren Übergang zwischen Transmission und Reflexion ermöglicht. Dieses Phänomen wird in der Folge diskutiert, um den besten Kompromiss zwischen optischen Leistungen des Filters und technischen Herstellungsschwierigkeiten zu finden.
Um zu versuchen, die Sperr- bzw. Unterdrückungszone des Filters zu verbreitern, hier zwischen 800 und 1000 nm, ist es möglich, dieser ersten Stapelung eine zweite zu überlagern, verschoben in Richtung größere Wellenlängen. Der ersten Stapelungsgruppe wurde also ein zweite identische hinzugefügt, zentriert auf eine Bezugswellenlänge λ₁ = mλ₀. Mit anderen Worten haben die Erfinder die Dicken dieser zweiten Gruppe mit m multipliziert und den folgenden Gesamtstapel mit der Gesamtwellenlänge λ₀ betrachtet: N × (0,5L/H/0,5L) + N × (0,5mL/mH/0,5mL).
Sie haben zunächst N = 5 gesetzt und das Verhalten des Filters in Abhängigkeit von m analysiert.
Die berechneten Transmissionsspektren sind in der beigefügten 10 dargestellt. In dieser Figur gibt die Abszissenachse die Wellenlänge in nm an und die Ordinatenachse die Transmission in%. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet die Kurve, die man mit m = 1,1 erhält, das Bezugszeichen 33 die Kurve, die man mit m = 1,2 erhält, das Bezugszeichen 35 die Kurve, die man mit m = 1,3 erhält, und das Bezugszeichen 37 die Kurve, die man mit m = 1,4 erhält.
m = 1,3 wurde gewählt, weil dieser Wert in Bezug auf die vorgegebenen Spezifikationen ein guter Kompromiss ist zwischen Sperr- bzw. Unterdrückungszone im nahen Infrarot und sichtbarer Transmission.
Die Wahl ist nicht entscheidend, denn es handelt sich nur um eine Ausgangsarchitektur, wo die Dicke jeder Schicht anschließend durch Berechnung modifiziert wird.
Diese Methode kann verfolgt werden, indem eine weiter gegen die längeren Wellenlängen verschobene dritte Gruppe hinzugefügt wird. In diesem Sinne wurden mehrere Berechnungen hinzugefügt, aber die Resultate waren nicht überzeugend. Es wird nämlich eine Verbreiterung der Sperr- bzw. Unterdrückungszone festgestellt, aber das Transmissionsfenster ist wesentlich kleiner und entfernt sich zu weit von den Ausgangsspezifikationen. Zudem erhöht sich die Anzahl der abzuscheidenden Schichten, was nicht im Sinne der Reduzierung der Bearbeitungs- bzw. Behandlungskosten ist.
Hingegen ist es möglich, die Anzahl der Schichten jeder Gruppe zu erhöhen, um ein Transmissionsfenster mit abrupteren Neigungen zu erhalten.
E. Wahl des IR-Reflektors
Das in diesem Beispiel gewählte IR-Reflexionsmaterial ist Zinn-dotiertes Indiumoxid (ITO). Die optischen Eigenschaften der abgeschiedenen ITO-Schichten wurden modelliert. Die Erfinder waren bestrebt, die Werte der Indizes n und k des Materials zu finden und konnten so die Reflexions- und Transmissionsspektren des Gesamtstapels aus Sichtbar-Filter + IR-Filter berechnen.
1. Modellierung der optischen Eigenschaften von ITO
Die optischen Eigenschaften der abgeschiedenen ITO-Schichten wurden modelliert. Die Erfinder haben versucht, die Werte der Indizes n und k des Materials zu finden und so konnten sie die Reflexions- und Transmissionsspektren des Gesamtstapels, das heißt Sichtbar-Filter + IR-Filter, berechnen.
Das Drude-Modell trägt dem Vorhandensein von freien Trägem in den Reflexionsmaterialien, insbesondere den Metallen, Rechnung. Gekoppelt mit dem Lorentz-Modell, welches das Vorhandensein von Trägem in den dielektrischen Materialien betrachtet, ist es möglich, die optischen Eigenschaften von Materialien wie ITO zu modellieren. Diei Indizes n und k des Materials sowie die Reflexions- und Transmissionsspektren aufgrund der aus diesem Modell abgeleiteten dielektrischen Funktion wurden berechnet.
Die Methode ist die folgende: Ausgangswerte der Parameter γ und ω_p des Drude-Modells der Gleichungen der dielektrischen Funktion wurden gewählt, dann wurden n und k der modellierten Schicht und dann R und T der Schicht/Substrat-Einheit berechnet. Eine numerische Minimierung durch die Methode der kleinsten Quadrate bzw. Fehlerquadrate konvergiert zu den Parametern des Modells, so dass berechnete und experimentelle Spektren sich bestmöglich überlagern.
Die Dicke der Schicht wurde ebenfalls durch Berechnung bestimmt und dann mit der Messung verglichen. Diese finalen Parameter haben ein Streuspektrum der Werte von n und k gegeben, das ermöglicht hat, die optischen Eigenschaften der Schicht mit einer beliebigen zu extrapolieren. Mehrere ITO unterschiedlicher Art wurden so modelliert.
Die beigefügte 3 zeigt die Überlagerung zwischen den experimentellen Reflexions- und Transmissionspektren, neu berechnet oder modelliert für eines von ihnen. In dieser Figur repräsentiert die Abszissenachse die Wellenlänge λ in nm und die Ordinatenachse die Transmission oder die Reflexion in%. In dieser Figur repräsentieren die Kurven 5A und 5B jeweils die mittels Drude-Modell berechneten Transmissions- und Reflexionskurven, und die Kurven 7A und 7B repräsentieren jeweils die erfindungsgemäß erhaltenen Transmissions- und Reflexionsspektren.
Man kann eine gute Übereinstimmung zwischen Versuch und Berechnung feststellen, insbesondere in dem IR-Teil des Spektrums.
Der Bereich der kürzeren Wellenlängen ist weniger gut stimuliert, wahrscheinlich weil die Absorption des Glassubstrat unterschätzt wird. Zudem berücksichtigt die Berechnung nicht den Anfang der Absorption des Materials bei den größeren Energien, nahe seiner Energielücke. Diese Absorption im sichtbaren Bereich wurde in einer ersten Zeit vernachlässigt, um die zur Herstellung des Filters notwendige Reflektordicke vorauszusagen. In der Folge, nach der Abscheidung des Stapels, ist verifiziert worden, dass diese Absorption vernachlässigbar ist.
2. Untersuchung der Abscheidungsparameter der ITO-Schicht Einfluss des Tempems
Das Zinn-dotierte Indiumoxid wurde mittels Magnetron-Sputtem auf Glas abgeschieden, von einem gesinterten Target, dessen Zusammensetzung einen Massenanteil von 10% Zinn in In₂O₃ beträgt. Die optische Qualität dieses als dünne Schicht abgeschiedenen Oxids hängt von dem Sauerstoffgrad in dem Film sowie von seinem kristallinen Zustand ab.
Um die Stöchiometrie des massiven Oxids beizubehalten, ist es notwendig, in dem Behälter während der Abscheidung einen bestimmten Prozentsatz Sauerstoff hinzuzufügen. Die beigefügte 11 zeigt die Wirkung des Temperns einer ITO-Schicht bei den optischen Reflexions- und Transmissionseigenschaften dieser Schicht.
In dieser Figur gibt die Abszissenachse die Wellenlänge λ in nm an und die Ordinatenachse die Reflexion oder die Transmission in%. Die Bezugszeichen 39A und 39B geben jeweils die Transmissions- und Reflexionsspektren von ITO ohne Tempern an, die Bezugszeichen 41A und 41B geben jeweils die Transmissions- und Reflexionsspektren von ITO mit einem Tempern bei 200°C an und die Bezugszeichen 43A und 43B geben jeweils die Transmissions- und Reflexionsspektren von ITO mit einem Tempern bei 300°C an. Diese Spektren erhielt man nach einer Optimierung des Sauerstoffgehalts.
F. Quantitativer Ausdruck der oben angegebenen Spezifikationen
Es gibt 5 Spezifikationen bezüglich der Leistungen des Filters. Die nachfolgende Tabelle 3 gibt die zu erreichenden Werte sowie die Werte mit dem Dotierglasfilter nach dem Stand der Technik wieder.
Tabelle 3 Verlangte Spezifikationen verglichen mit den durch das Dotierglasfilter-System erhaltenen Leistungen.
G. Bestimmung der verschiedenen Schichten der gewählten Architektur
Die Erfinder haben die Stapelleistungen in Abhängigkeit von der Dicke des ITO untersucht. Für jeden Dickenwert wurde der dielektrische Teil neu berechnet, um sich so gut wie möglich den verlangten Spezifikationen anzunähern und vor allem die Oszillationseffekte der Transmission in dem sichtbaren Teil des Spektrums zu begrenzen.
Die Dicken jeder Schicht wurden also neu berechnet, blieben aber untereinander verbunden. Die Vervielfachungskoeffizienten der beiden Gruppen wurden berechnet in Bezug auf die Bezugswellenlänge. Schließlich, nach dieser Optimierung, wurden die 5 vorhergehenden Größen berechnet.
Die erzielten Resultate sind in der beigefügten 12 zusammengefasst. In dieser Figur repräsentiert die Abszissenachse die ITO-Dicke in nm, die Ordinatenachse repräsentiert links im unteren Teil den Energie-Radiant RE (IR-Anteil an der Gesamtintensität des durchgelassenen Lichts) in mW/m². Lux und im oberen Teil den Transmissionsprozentsatz sowie rechts die Farbtemperatur in K.
Als Funktion der Dicke der ITO-Schicht bezeichnet das Bezugszeichen 45 die Veränderungskurve des Energie-Radianten RE, 47 bezeichnet die Veränderungskurve der Transmission T im sichtbaren Bereich, 49 bezeichnet die Farbtemperatur-Veränderungskurve Tc, 51 bezeichnet die Veränderung des Farbwiedergabe-Index Ra und 53 bezeichnet die Veränderung des Farbwiedergabe-Index R₉.
Die beiden besonders interessanten Größen sind der Energie-Radiant RE und die mittlere sichtbare Transmission. Sie verlaufen invers. Der Wert von RE nimmt nämlich ab, wenn die ITO-Dicke zunimmt, was zu einer Reduzienrung der IR-Transmission führt, die einhergeht mit einer Abnahme der Transmission im sichtbaren Bereich. Bei einer ITO-Dicke von 250 nm ist die untere Grenze der Transmission im sichtbaren Bereich, das heißt 60%, erreicht, während der Energie-Radiant RE noch deutlich größer als 5 ist.
Da die Ziele mit dem oben erwähnten Stapel aus dielektrischer Multischicht + ITO nicht erreicht worden sind, wurde die anfängliche Lösung modifiziert.
Wie man in der beigefügten 9 sieht, wird die Front zwischen transparenter Zone und Sperr- bzw. Unterdrückungszone abrupter und das Filtern dieser letzteren effizienter, wenn man die Anzahl der Schichten jedes Stapels erhöht. Diese Anmerkung ist deswegen besonders wichtig, weil die Lichtquelle in dieser Zone sehr energetisch ist.
Die Anzahl Schichten pro Gruppe wurde also erhöht, um das Transmissionsniveau zwischen 750 und 1200 nm und folglich RE weiter zu reduzieren, so wie dargestellt in der beigefügten 13.
Diese Figur zeigt die Verbesserung der Filterleistungen der Architektur mit der Anzahl der Stapel. Die Abszissenachse gibt die Wellenlänge λ in nm an und die Ordinatenachse die Transmission in%. Die Bezugszeichen 55, 57, 59 und 61 geben jeweils die Kurven an, die man mit N = –5, N = 6, N = 7 und N = 8 erhält. Das Bezugszeichen 63 gibt das Emissionsspektrum der Quellenlampe an und die Pfeile die Größe des Energie-Radianten RE.
Um die Lösung zu verbessern, war ein zusätzlicher Freiheitsgrad notwendig, wobei während der Berechnung die Dicken jeder Schicht unabhängig voneinander frei gelassen wurden.
Die Leistungen des Filters, insbesondere in der Form des Transmissionsfensters im sichtbaren Bereich, können verbessert werden.
Ausgehend von der anfänglichen Architektun N × (0,5L/H/0,5L) + N × (0,65L/1,3H/0,65L)/ITO/Substrat wurden mehrere parametrische Untersuchungen in Abhängigkeit von der ITO-Dicke durchgeführt, mit jedes Mal einer anderen Anzahl Schichten: N = 6, 7, 8 usw. und unabhängig neu optimierten Dicken.
Um den obigen Spezifikationen zu entsprechen, benötigt man, wie die Berechnungen zeigen, insgesamt 33 Schichten, das heißt N = B.
Die parametrische Untersuchung, die zu dieser Lösung führt und die nötige ITO-Dicke liefert, wird in der beigefügten 14 vorgeschlagen. In dieser Figur gibt die Abszissenachse die ITO-Dicke in nm an, die Ordinatenachse repräsentiert links im unteren Teil den Energie-Radiant RE (IR-Anteil an der Gesamtintensität des durchgelassenen Liehts) in mW/m². Lux und im oberen Teil den Transmissionsprozentsatz sowie rechts die Farbtemperatur in K.
Als Funktion der Dicke der ITO-Schicht bezeichnet das Bezugszeichen 65 die Veränderungskurve des Energie-Radianten RE, 67 bezeichnet die Veränderungskurve der Transmission T im sichtbaren Bereich, 69 bezeichnet die Farbtemperatur-Veränderungskurve Tc, 71 bezeichnet die Veränderung des Farbwiedergabe-Index RA und 73 bezeichnet die Veränderung des Farbwiedergabe-Index R₉.
Eine ITO-Dicke von 250 nm ermöglicht, einen Energieradianten RE unter oder gleich 4,5 zu erreichen.
Es sind also alle Spezifikationen erreicht, denn man hat:
RE = 4,45, T_c = 3514, T_vis = 65,2, R_A = 97,3, R₉ = 97,0.
Das theoretische Transmissionsspektrum wird in der beigefügten 15 vorgeschlagen. Diese Figur wird in der Folge beschrieben.
H. Herstellung des Filters nach der vorliegenden Erfindung
1. Das Substrat
Die trapezförmigen Substrate sind aus Standardglas. Dieser Zuschnitt ermöglicht, ein System aus 6 Teilen, die um eine Quellenlampe herum zusammengebaut sind, in realer Größe unter den Einsatzbedingungen zu testen.
Dieses Glas ist bezüglich Ellipsometrie und Transmission charakterisiert worden. Seine Dicke beträgt 2 mm und das Transmissionsspektrum eines nackten Musters wird in der beiliegenden 4 vorgeschlagen. In dieser Figur repräsentiert T die Transmission in% und λ die Wellenlänge in nm.
Aus diesen Charakteristika wurden die optischen Eigenschaften n und k extrahiert, um das Gesamttransmissionsspektrum des Filters auf diesem Substrat genau zu berechnen.
2. Die Abscheidung
Zuerst wird durch reaktives Magnetron-Sputtem die ITO-Schicht auf dem Glassubstrat abgeschieden. Sie wird bei 300°C unter N₂-Atmosphäre 1 Stunde lang getempert. Die Tranmissions- und Reflexionsspektren werden gemessen, um zu verifizieren, dass das ITO die richtigen optischen Eigenschaften hat.
Der SiO₂/TiO₂-Stapel wird anschließend durch Verdampfung abgeschieden, wie oben beschrieben. Die Abscheidungsgeschwindigkeit der Schichten wird mittels einer Quarzwaage kontrolliert, welche die Ionen- und Elektronenkanonen steuert. Die Abscheidung der 33 dielektrischen Schichten dauert ungefähr 6 Stunden.
Der erhaltene Stapel ist in der nachfolgenden Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 4 Hergestellter Stapel
3. Versuchsergebnisse – Berechnung der verschiedenen Parameter
Das bei dem hergestellten Stapel erhaltene Transmissionsspektrum ist in der beigefügten 15 dargestellt und dem theoretischen Spektrum überlagert. In dieser Figur repräsentiert die Abszissenachse die Wellenlänge in nm und die Ordinatenachse die Transmission in%. Das Bezugszeichen 75 bezeichnet das theoretische Spektrum und das Bezugszeichen 77 das erhaltene Versuchsspektrum.
Man kann zwei Dinge feststellen:

– das Niveau der sichtbaren Transmission, T_vis = 51%, ist niedriger als der erwartete Wert von 65%, und
– es gibt eine leichte Verschiebung von ungefähr 30 nm in Richtung kleinere Wellenlängen.

Bezüglich der ersten Feststellung kann man sich vorstellen, dass das letzte TiO₂ mehr absorbiert als der durch die ellipsometrischen Messungen bei den Einheitsschichten festgestellte Wert. Eine Modifikation von einigen 10^–3 genügt, um die Transmission des kompletten Stapels um mehr als 10% zu reduzieren. Die benutzten Charakterisierungsmittel – an der Empfindlichkeitsgrenze – haben nicht ermöglicht, k mit höherer Genauigkeit zu bestimmen.
Die Verschiebung des Transmissionsfensters in Richtung kleinere Wellenlängen kommt von einer gewissen Ungenauigkeit bei der Kontrolle der Dicken während des Wachstums. Dies wird durch eine mechanische Stufenmessung bzw. Margenmessung (mesure méchanique- de manche) am Rand des Filters bestätigt, die 4,26 μm anstatt der vorgesehenen 4,49 μm bestätigt.
Ein mit optischen Messeinrichtungen ausgerüstetes Industrieunternehmen kann das Problem dieser Unsicherheitsmarge leicht an Ort und Stelle lösen.
Die Tabelle 5 fasst die Werte der bei diesem Versuchsstapel berechneten Parameter zusammen. Man stellt fest, abgesehen von diesem Problem bei der sichtbaren Transmission, dass alle diese Werte den verlangten Spezifikationen entsprechen.
Tabelle 5 Verlangte Spezifikationen, theoretische und experimentelle Resultate
Diese Resultate zeigen, dass die Herstellung eines solchen Filters theoretisch und experimentell bewiesen ist.
Beispiel 2 : Filter nach der vorliegenden Erfindung, wobei der Interferenzfilter ein SiO₂/SiN₃ ₄-Filter ist
Der SiO₂/Si₃N₄-Filter wurde abgeschieden durch Mikrowellenplasma ("Integrated Distributed Electron Cyclotron Resonnance"). Der Vorteil einer solchen Vorrichtung ist die Abscheidung bei niedriger Temperatur. Es ist nämlich möglich, eine SiO₂-Schicht auf einem Polycarbonat-Substrat abzuscheiden, das gute optische Eigenschaften aufweist. Außerdem lässt die geometrische Konfiguration dieses Reaktortyps die Abscheidung auf großen Flächen zu.
Wie bei der Paarung TiO₂/SiO₂ wurden die Indizes des einschichtigen Siliciumnitrids und -Siliciumdioxids bestimmt. Indem man ihre Dispersionsspektren für die Berechnung des Transmissionsspektrums benutzte, wurde der folgende 25-Schichtenstapel auf Glas realisiert: 6 × (0,5L/H/0,5L) + 6 × (0,65L/1,3H/0,65L).
Die beigefügte 17 fasst das theoretische und experimentelle Transmissionsspektrum des realisierten Stapels. In dieser Figur repräsentiert die Abszissenachse die Wellenlänge λ in nm und die Ordinatenachse repräsentiert die sichtbare Transmission in%. Das Bezugszeichen 79 bezeichnet das theoretische Spektrum und das Bezugszeichen 81 das experimentelle Spektrum.
Man stellt bei der Wellenlänge sehr gute Resultate fest, zumindest in dem sichtbaren Teil des Spektrums. Diese Operation ermöglicht, einerseits die Vorausberechnungen der Transmissionsspektren der gewählten Stapel zu validieren und anderseits die gute Beherrschung der Dicken während der Abscheidungen zu konstatieren. Wenn die Dicke der Schichten durch Ellipsometrie in situ kontrolliert wird, ist es nämlich möglich, mit der Ausrüstung auf die geringste Abweichung zu reagieren.
Bei einem anderen Versuch, wobei dieselbe Architektur wie für die SiO₂/TiO₂-Paarung gewählt wurde, wurden die Leistungen eines Filters in Abhängigkeit von der ITO-Dicke berechnet. Die gemessenen Indizes der beiden dielektrischen Materialien sind die folgenden:
Der folgende Stapel wurde auf einem Glassubstrat realisiert: 8 × (0,5L/H/0,5L) + 8 × (0,65L/1,3H/0,65L)/ITO.
Die erzielten Resultate sind in der beigefügten 18 dargestellt. In dieser Figur repräsentiert die Abszissenachse die ITO-Dicke in nm, die Ordinatenachse links repräsentiert in ihrem unteren Teil den Energieradianten RE in mW/m². Lux und in ihrem oberen Teil die Transmission in%, und die Ordinatenachse rechts repräsentiert die Farbtemperatur in K. Abhängig von der Dicke der ITO-Schicht zeigt die Kurve 83 der Veränderung des Energieradianten RE, die Kurve 85 zeigt die Veränderung der Transmission im sichtbaren Bereich, die Kurve 87 zeigt die Veränderung der Farbtemperatur Tc, die Kurve 89 zeigt die Veränderung des Farbwiedergabe-Index RA und die Kurve 91 zeigt die Veränderung des Farbwiedergabe-Index R₉ im roten Bereich.
Man sieht, dass man bei einer ITO-Dicke von 400 nm eine sichtbare Transmission von ungefähr 60% erhält, aber einen Energieradianten RE von 6,12.
Es war vorhersehbar, dass die Leistungen eines solchen Filters bei derselben Anzahl von Schichten kleiner sind als die des SiO₂/TiO₂-Stapels, da der Indexkontrast der Paarung SiO₂/Si₃N₄ deutlich kleiner ist: Δn beträgt ungefähr 0,5 bei 600 nm. Die Leistungen dieses Filters können verbessert werden, zum Beispiel indem man die Anzahl der Schicht erhöht.
Schlussfolgerung
Die Erfinder haben ein Architekturschema bestimmt, das ermöglicht, den im sichtbaren Bereich verlangten Spezifikationen zu entsprechen. In den Beispielen haben sie vor allem die Paarung von dielektrischen Materialien mit starkem Indexkontrast gewählt, nämlich TiO₂/SiO₂. Nach der Charakterisierung von Einheitsschichten haben sie die Wachstumsmethode und die Abscheidungsparameter definiert.
Der zweite Teil dieser Arbeit besteht darin, ein IR-reflektierendes Material zu definieren und abzuscheiden, das ermöglicht, jede Strahlung nach bzw. unter 1,5 μm zu filtern ohne dabei die optischen Eigenschaften des dielektrischen Filters zu stören. ITO entspricht diesen Spezifikationen. Sie haben die Abscheidungsparameter bestimmt und nach der Abscheidung eine thermische Behandlung angewendet, um das Material zu optimieren.
Bei dem anderen untersuchten Weg mit der Paarung SiO₁/Si₃N₄, abgeschieden mittels Plasma, sind die berechneten und realisierten Stapel nicht ausreichend leistungsstark, wegen des schwachen Indexkontrasts. Die Erhöhung der Anzahl Schichten kann eine Verbesserung des Filters ermöglichen.
Es wurde ein Muster realisiert und dann charakterisiert. Die erzielten Resultate unterscheiden sich wenig von den erwarteten. Tatsächlich wurden ein niedrigeres Transmissionsniveau im sichtbaren Bereich und eine leichte Spektralverschiebung beim Filterverhalten festgestellt. Ein Industrieunternehmen, das Anlagen besitzt, die mit In-situ-Charakterisierungs- bzw. -Kontrollmitteln ausgerüstet sind, die ermöglichen, im Laufe des Wachstums auf die Abscheidungsparameter einzuwirken, kann die verlangten Spezifikationen genau erreichen.

Claims

Wärmeabsorbierender Filter mit einem Substrat, wenigstens einer Schicht aus einem IR-reflektierenden Material und einem Überzug, der einen Interferenzfilter im sichtbaren Bereich bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der einen Interferenzfilter im sichtbaren Bereich bildende Überzug wenigstens zwei unterschiedliche Stapelgruppen umfasst, wobei eine erste Stapelgruppe eine N-mal wiederholte Abwechslung eines ersten Films und eines zweiten Films aufweist, eine zweite Stapelgruppe eine N-mal wiederholte Abwechslung eines dritten Films und eines vierten Films aufweist, und der erste und/oder der zweite Film sich jeweils vom dritten und/oder vierten Film durch ihre Dicke unterscheiden, der erste und der dritte Film eine Dicke L oder ein Vielfaches von L haben und durch ein erstes Material mit einer Brechzahl n₁ gebildet werden, und das zweite und das vierte Material eine Dicke H oder ein Vielfaches von H haben und durch ein zweites Material mit einer Brechzahl n₂ gebildet werden, bei dem N eine ganze Zahl ≥ 3 ist und H und L geometrische Dicken sind, und bei dem N, H, L, n₁ und n₂ derartig sind, dass der einen Interferenzfilter bildende Überzug ein Transmissionsfenster zwischen 400 und 800 nm aufweist.
Wärmeabsorbierender Filter nach Anspruch 1, bei dem die Schicht aus IR-reflektierendem Material wenigstens eine Oberfläche des Substrats bedeckt, und der einen Interferenzfilter im sichtbaren Bereich bildende Überzug die genannte Schicht aus IR-reflektierendem Material bedeckt.
Filter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das IR-reflektierende Material ein transparentes leitfähiges Oxid ist.
Filter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das IR-reflektierende Material Zinndotiertes Indiumoxid ist.
Filter nach Anspruch 4, bei dem das Zinn-dotierte Indiumoxid ein Sn/In-Verhältnis aufweist, das von ungefähr 9 bis ungefähr 11 Massenprozent geht.
Filter nach Anspruch 5, bei dem das erste Material SiO₂ ist und das zweite Material TiO₂ ist.
Filter nach Anspruch 6, bei dem der einen Interferenzfilter im sichtbaren Bereich bildende Überzug eine erste Stapelgruppe umfasst, die eine 8-mal wiederholte Abwechslung des Typs 0,5L/H/0,5L aufweist.
Filter nach Anspruch 7, außerdem eine zweite Stapelgruppe umfassend, die eine 8-mal wiederholte Abwechslung des Typs 0,65L/1,3H/0,65L aufweist.
Filter nach Anspruch 5, bei dem das erste Material SiO₂ ist und das zweite Material Si₃N₄ ist.
Filter nach Anspruch 9, bei dem der einen Interferenzfilter im sichtbaren Bereich bildende Überzug eine erste Stapelgruppe mit einer 6-mal wiederholten Abwechslung des Typs 0,5L/H/0,5L aufweist.
Filter nach Anspruch 10, außerdem eine zweite Stapelgruppe umfassend, die eine 6-mal wiederholte Abwechslung des Typs 0,65L/1,3H/0,65L aufweist.
Wärmeabsorbierender Filter nach Anspruch 2, bei dem das Substrat ein Glassubstrat ist, die transparente leitfähige Schicht eine Zinn-dotierte Indiumoxidschicht ist, und der einen Interferenzfilter im sichtbaren Bereich bildende Überzug ein Schichtenstapel ist, in dem SiO₂-Filme und TiO₂-Filme abwechseln, wobei der Schichtenstapel mit einem SiO₂-Film, abgeschieden auf der ITO-Schicht, beginnt und mit einem SiO₂-Film in Kontakt mit der Atmosphäre endet und dieser Schichtenstapel dabei 17 SiO₂-Filme und 16 TiO₂-Filme umfasst.
Wärmeabsorbierender Filter nach Anspruch 1, bei dem das Substrat ein Glas- oder Kunststoffsubstrat ist.
Wärmeabsorbierender Filter mit einem Glassubstrat, einer ITO-Schicht und einem einen Interferenzfilter im sichtbaren Bereich bildenden Überzug, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei unterschiedliche Stapelgruppen von SiO₂-Filmen und von TiO₂-Filmen umfasst, wobei jede Stapelgruppe eine 8-mal wiederholte Abwechslung von SiO₂-Filmen und TiO₂-Filmen aufweist und der genannte Filter dabei die folgende Struktur hat:
Optisches System, ausgewählt aus einer Gruppe, die eine Lampe, eine Bürolampe, ein Beleuchtungssystem mittels optischer Fasern, eine Verglasung, ein optisches Projektionssystem und eine Glüh- bzw. Glasbirne umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14 umfasst.
Operationsbeleuchtung oder Behandlungslampe, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen wärmeabsorbierenden Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14 umfasst.
Verfahren zur Herstellung des wärmeabsorbierenden Filters, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: a) Bereitstellen eines Substrats, b) Abscheiden einer Schicht aus einem IR-reflektierenden Material auf wenigstens einer Oberfläche des genannten Substrats, c) Abscheiden – auf der IR-reflektierenden Schicht – eines einen Interferenzfilter im sichtbaren Bereich bildenden Überzugs, wie beschrieben in Anspruch 1.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das IR-reflektierende Material Zinndotiertes Indiumoxid ist, abgeschieden auf dem Substrat durch Magnetron-Sputtern.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Magnetron-Sputtern mittels eines Sintertargets erfolgt, dessen Zusammensetzung ungefähr 9 bis 11 Massenprozent Zinnoxid in In₂O₃ beträgt.
Verfahren nach Anspruch 18, das außerdem einen Schritt a₁) zum Tempern des auf dem Substrat abgeschiedenen IR-reflektierenden Materials umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei bei dem in dem vorangehenden Anspruch 7 definierten Interferenzfilter der Schritt c) zur Abscheidung des Interferenzfilters ein Schritt zur Abscheidung der realisierten Filme durch eine Vakuumverdampfungs- oder Sputtertechnik ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt zur Abscheidung der Filme durch reaktiv unterstützte reaktive Verdampfung realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei bei dem in dem vorangehenden Anspruch 10 definierten Interferenzfilter der Schritt c) zur Abscheidung des Interferenzfilters ein Schritt zur Abscheidung der realisierten Filme durch eine Plasmaabscheidungstechnik ist.