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Diese Erfindung bezieht sich auf optische Interferenzfilter, die abwechselnde Schichten von
Tantaloxid und Siliciumdioxid einschließen sowie deren Einsatz auf Lampen.
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Optische Dünnfilm-Überzüge, die als Interferenzfilter bekannt sind, die abwechselnde
Schichten von zwei oder mehr Materialien unterschiedlichen Brechungsindex umfassen, sind dem
Fachmann bekannt. Solche optischen Überzüge werden benutzt, um selektiv Lichtstrahlung aus
verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums zu reflektieren oder durchzulassen, und
sie werden in der Lampenindustrie zum Überziehen von Reflektoren und Lampenkolben eingesetzt.
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Interferenzfilter für Anwendungen, bei denen die Filter hohen Temperaturen von mehr als
etwa 500ºC ausgesetzt werden, wurden aus abwechselnden Schichten von Tantaloxid
(Tantalpentoxid, Ta&sub2;O&sub5;) und Siliciumdioxid (SiO&sub2;) hergestellt, wobei das Siliciumdioxid das
Material mit geringem Brechungindex und das Tantaloxid das Material mit dem hohen Brechungsindex
ist. Solche Filter und Lampen, die solche Filter benutzen, sind, z.B., in den US-PSn 4,949,005;
4,689,519; 4,663,557 und 4,588,923 offenbart.
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Das Problem der Ausbildung schwerer Spannungen in Verbindung mit dem Einsatz von
Interferenzfiltern, die aus abwechselnden Schichten von Siliciumdioxid und Tantaloxid bestehen,
wenn sie bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, wurde in der US-PS 4,734,614 erkannt. Diese
PS lehrt, daß Tantaloxid eine begrenzte physikalische und chemische Stabilität aufweist und nach
etwa 30 Minuten bei 800ºC zu einer polykristallinen Form kristallisiert, was Spannungsrisse
erzeugt, die als solche sichtbar sind. Dies führt zu einem Filter, das sowohl sichtbare als auch IR-
Strahlung streut und es dadurch für seinen beabsichtigten Zweck ungeeignet macht.
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Aufgrund des Bedarfes für ein Verfahren, das einen relativ gleichmäßigen Überzug auf eine
komplexe Gestalt aufbringt und nicht zu einem Film führt, der solche Spannungen aufweist, ciaß
der Film reißt und sich vom Substrat ablöst, schafft die US-PS 4,949,005 des gemeinsamen
Erfinders zu der vorliegenden Erfindung, T. Parham et al., einen Interferenzfilter als optischen
Dünnfilm-Überzug, der im wesentlichen aus abwechselnden Schichten von Tantaloxid und Siliciumdioxid
mit relativ geringer Lichtstreuung besteht, der zum Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet ist.
Die Überzüge werden erhalten durch Anwenden eines Verfahrens zum chemischen Bedampfen
(CVD) und vorzugsweise eines Verfahrens zum chemischen Bedampfen bei geringem Druck
(LPCVD), um die Überzüge auf einem geeigneten Substrat, wie Quarz, herzustellen. Nach
Aufbringen der abwechselnden Schichten wird der hergestellte optische Filter geglüht, um katastrophale,
äußere Spannungsbildung aufgrund von Volumenänderungen durch Kristallisation von Tantaloxid
bei Temperaturen oberhalb von etwa 600ºC zu vermeiden, die ein Reißen und eine Buckelbildung
verursachen und zu einer dürftigen Haftung, einem Ablösen und unerwünschtem, optischem
Streuen von Licht führen. Das überzogene Substrat muß daher auf eine Temperatur zwischen etwa
550 und 675ºC erhitzt und in diesem Temperaturbereich für eine Dauer von etwa 0,5 bis 5 Stunden
gehalten werden.
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Trotz der Fortschritte im Stande der Technik ist die Notwendigkeit, nach dem Abscheiden
zu glühen, um Spannung zu verringern, weiterhin vorhanden und erhöht die Kosten und die Zeit,
die für die Herstellung von Interferenzfiltern und Gegenständen, wie Lampen mit solchen
Interferenzfiltern, erforderlich sind.
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Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Interferenzfilter
zu schaffen, der abwechselnde Schichten von Tantaloxid und Siliciumdioxid einschließt, bei dem die
äußere Spannung der Tantaloxidschicht derart verringert ist, daß die Notwendigkeit für ein
Glühen nach dem Abscheiden vermindert wird und, wenn mit einer Glühbehandlung kombiniert wird,
um, z.B., Spannung in den Siliciumdioxid-Schichten abzubauen, Filter erhalten werden, die eine
verringerte Beschädigung aufgrund von Spannung aufweisen.
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Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Interferenzfilter
geringer Spannung zu schaffen, der Tantaloxid- und Siliciumdioxid-Schichten einschließt, die durch
ein CVD- oder LPCVD-Verfahren hergestellt sind.
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Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lampe mit einem
optischen Interferenzfilter geringer Spannung zu schaffen, der Tantaloxid- und
Siliciumdioxid-Schichten einschließt, so daß die Energieeffizienz der Lampe verbessert wird.
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Diese und andere Aufgaben werden durch Schäffung eines optischen Interferenzfilters
gelöst, umfassend ein glasartiges, lichtdurchlässiges Substrat, das eine Vielzahl abwechselnder
Schichten von Titanoxid, Tantaloxid und Siliciumdioxid aufweist, wobei mindestens einige der
Tantaloxid-Schichten sich in Kontakt mit einer entsprechenden Titanoxid-Schicht befinden, und wobei
jede Titanoxid-Schicht eine geringere Dicke hat als die Tantaloxid-Schicht, mit der sie sich in
Kontakt befindet.
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Das Inberührungbringen einer Tantaloxid-Schicht mit Titanoxid-Schichten ist wirksam zum
Kontrollieren des Gefüges der Tantaloxid-Schicht während nachfolgender Kristallisation durch
Erhitzen des Films um dadurch äußere Spannungen in den Tantaloxid-Schichten zu vermindern.
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Die vorliegende Erfindung schafft zusätzlich eine eletrische Lampe, umfassend einen
lichtdurchlässigen Glaskolben, der eine elektrische Lichtquelle einschließt und einen optischen
Interferenzfilter gemäß der Erfindung, wie oben beschrieben, aufweist.
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Die Interferenzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise durch ein
CVD-Verfahren und am bevorzugtesten durch ein LPCVD-Verfahren geschaffen, wobei das
Verfahren das Abscheiden einer Vielzahl abwechselnder Schichten von Tantaloxid und Siliciumdioxid auf
einem glasartigen, lichtdurchlässigen Substrat durch CVD, vorzugsweise LPCVD, aus
entsprechenden Vorstufen zur Bildung eines überzogenen Substrates umfaßt. Das Verfahren schließt das
Abscheiden einer Titanoxid-Schicht vor oder nach der Abscheidung mindestens einiger Tantaloxid-
Schichten ein. Wird ein optischer Interferenzfilter gemäß der Erfindung bei einer 650ºC
übersteigenden
Temperatur eingesetzt, ist es bevorzugt, das überzogene Substrat für eine Zeitdauer und bei
einer Temperatur zu glühen, bei der das Tantaloxid kristallisiert. Am bevorzugtesten wird das
überzogene Substrat bei einer Temperatur im Bereich von etwa 550 bis etwa 800ºC für mindestens
eine Stunde gehalten, wobei das Tantaloxid kristallisiert. Am bevorzutgtesten wird das überzogene
Substrat etwa zwei Stunden lang bei etwa 650ºC gehalten. Bei einer Temperatur im Bereich von
etwa 650 bis etwa 675ºC kristallisiert das Tantaloxid innerhalb von etwa ein bis zwei Stunden,
wonach eine weitere Kristallisation selbst bei fortgesetztem Erhitzen nicht stattfindet.
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Im folgenden werden beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf
die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
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Figur 1 eine Seitenansicht einer langgestreckten Wolframhalogen-Lampe, bei der ein
optischer Interferenzfilm gemäß der Erfindung auf der äußeren Oberfläche geschaffen ist;
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Figur 2 eine Aufnahme mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) eines Tantaloxidfilms
mit einer Vorschicht aus Titanoxid gemäß der Erfindung in 7000-facher Vergrößerung;
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Figur 3 eine SEM-Aufnahme eines Tantaloxidfilms ohne Titanoxid-Vorschicht in
7000-facher Vergrößerung zum Vergleich mit Figur 2 und
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Figur 4 ein errechnetes Spektrum eines IR-reflektierenden Filters aus
Tantaloxid/Siliciumdioxid mit Titanoxid-Vorschichten gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die Gesamtspannung des optischen Interferenzfilms ist die Summe von drei unabhängigen
Spannungen, nämlich thermische Spannung, innewohnender Spannung und äußerer Spannung.
Thermische Spannung ist eine fixierte Spannung, die sich aus einer Fehlanpassung der
thermischen Ausdehnung zwischen dem Substrat und dem Film ergibt. Innewohnende und äußere
Spannungen sind verfahrensabhängig. Die innewohnende Spannung ergibt sich aus einer Fehlordnung
in den Bindelängen und -winkeln während der Filmabscheidung. Äußere Spannung resultiert aus
der Kristallisation eines vorher amorphen Materials, die eine Volumenänderung erzeugt, z.B. die
Kristallisation von Tantaloxid aus amorphern Tantaloxid bei Temperaturen oberhalb etwa 600ºC.
Die Volumenänderung während der Kristallisation erzeugt äußere Spannung, die ein Filmreißen
und Ausbauchen verursacht, was Stellen für unerwünschte optische Streuung von Licht erzeugt
und die Festigkeit des Substrates verringert.
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Die Erfindung schafft Tantaloxid-Schichten in optischen Interferenzfiltern mit verminderter
äußerer Spannung durch Schaffung von Tantaloxid in Kontakt mit einer Titanoxid-Schicht als
einer Vorschicht und/oder als einer darauffolgenden Schicht. Die nachfolgende Kristallisation der
amorphen Tantaloxid-Schichten in Filtern gemäß der Erfindung führt daher zu einem sehr viel
geordneter kristallisierten Tantaloxid, als es sonst erhalten werden würde. Die Tantaloxid-Schichten
gemäß der Erfindung haben feinere Kornstrukturen und weniger Mikrorisse, und die
erfindungsgemäßen Verfahren und die mit diesen Verfahren hergestellten optischen Interferenzfilter haben
weniger optische Verluste aufgrund optischer Streuung.
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Das verbesserte Tantaloxid-Gefüge wird erhalten durch Schaffen einer dünnen Schicht aus
Titanoxid benachbart der Tantaloxid-Schicht. Es kann daher eine Vorschicht aus Tantaloxid auf
einer dünnen Schicht von Titanoxid und/oder eine dünne Titanoxid-Schicht kann auf einer Schicht
aus Tantaloxid abgeschieden werden. So wurde, z.B., eine Vorschicht aus Titanoxid mit einer Dicke
von etwa 130 Å mittels CVD aus Titanethoxid abgeschieden, gefolgt von der Abscheidung von
Tantaloxid darauf. Das in einer solchen Weise abgeschiedene Titanoxid war aus außerordentlich
kleinen Mikrokristalliten von Anatase mit einer Größe von etwa 300 Å zusammengesetzt.
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Es wurde festgestellt, daß der Einsatz einer benachbarten Schicht von Titanoxid in Kontakt
mit einer amorphen Schicht von Tantaloxid wirksam ist, um eine feinere Kornstruktur in dem
Tantaloxid zu bewirken, wenn das Tantaloxid später kristallisiert. Dieses Ergebnis wurde durche eine
SEM-Untersuchung einer solchen Doppelschicht aus Titanoxid/Tantaloxid bestätigt, und sie zeigte
eine bemerkenswerte Umwandlung in dem Gefüge des kristallisierten Tantaloxids. Das
kristallisierte Tantaloxid war aus sehr kleinen Körnern mit einer Größe im Bereich von etwa 0,3 bis 0,6 um
zusammengesetzt. Das Röntgenbeugungsmuster (XRD-Muster) zeigte, daß dieses Tantaloxid im
wesentlichen die gleiche vorteilhafte Struktur nach der Kristallisation aufwies, wie eine
Tantaloxid-Schicht, die mit 1 Mol-% Titanoxid dotiert war. D.h., das Tantaloxid war in einer sehr
geordneten Weise kristallisiert. Diese vorteilhaften Ergebnisse blieben darüber hinaus bestehen, wenn die
Doppelschichten auf Lampenbetriebs-Temperaturen im Bereich von etwa 650-900ºC erhitzt
wurden.
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Die benachbarte Titanoxid-Schicht sollte darüber hinaus beträchtlich dünner sein als die
Tantaloxid-Schicht. Beispielsweise wird die Tantaloxid-Schicht im allgemein mindestens etwa 500
Å dick sein, während die vorher und/oder nachher abgeschiedene Titanoxid-Schicht, die mit der
Tantaloxid-Schicht in Berührung steht, im allgemeinen eine Dicke zwischen etwa 50 und 150 Å
aufweisen wird. Es können natürlich Ausnahmen vorhanden sein, bei der das Tantaloxid weniger
als 500 Å hat, doch ist es das Ziel, die Titanoxid-Schicht dünn genug zu halten, um die erwünschte
Morphologie zu erhalten, wenn das Täntaloxid danach kristallisiert, während sie nicht so dick ist,
um die optischen Eigenschaften unangemessen zu beeinträchtigen und das Filmdesign
unangemessen komplex zu machen. Dies deshalb, weil Titanoxid einen hohen Koeffizienten der
Wärmeausdehnung aufweist, der zu thermischer Spannung führt. Werden einzelne Schichten aus Titanoxid
auf über etwa 900ºC erhitzt, dann tritt eine Umwandlung von Anatase in Rutil auf, und der Film
wird trübe.
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In der Zeichnung veranschaulicht Figur 1 eine Lampe, deren äußere Oberfläche mit einem
Interferenzfilter aus Titanoxid-Tantaloxid-Siliciumdioxid gemäß der vorliegenden Erfindung
versehen ist, der IR-Strahlung zurück zum Glühfaden reflektiert, wo sie in sichtbare Strahlung
umgewandelt wird. Diese Lampe ist veranschaulichend, nicht aber einschränkend für die vorliegende
Erfindung.
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Die in Figur 1 veranschaulichte Lampe umfaßt einen Kolben 10, der aus einem glasartigen,
lichtdurchlässigen Material hergestellt ist, das hohe Temperaturen von mindestens etwa 800ºC
aushalten kann, wie Quarz. Jedes Ende des Kolbens 10 hat einen Abschnitt 12 aus
Quetschdichtung, durch den ein Zuführungsleiter 13 abgedichtet ist, der elektrisch und mechanisch durch
geeignete Mittel, wie Schweißen, an einer Molybdänfolie 14 befestigt ist, die in dem
Quetschdichtungsteil 12 der Lampe hermetisch abgedichtet und eingebettet ist. Zuleitungen 15 aus einem
geeigneten hochschmelzenden Metall, wie Molybdän oder Wolfram, sind an dem anderen Ende der
Molybdänfolien 14 an deren einem Ende befestigt, und am anderen Ende sind sie mit dem Wolfram-
Glühfaden 17 verbunden, der auf seiner Achse innerhalb des Kolbens durch mehrere geeignete
Stützteile 18 abgestützt ist, wie Spiraldraht-Träger aus Wolfram der Art, die in der US-PS
3,168,670 offenbart ist. Ein optischer Dünnfilm-Interferenzfilter 20 nach der vorliegenden
Erfindung ist auf der äußeren Oberfläche der Lampe als ein zusammenhängender Überzug geschaffen.
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Der Film 20 besteht aus abwechselnden Schichten von Tantaloxid und Siliciumdioxid, die so
angeordnet sind, um die Charakteristika des Durchlässigkeitsbereiches und des Sperrbereiches der
emittierten Strahlung der Lampe einzustellen. Die Tantaloxid-Schichten befinden sich benachbart
einer Vorschicht und/oder späteren Schicht aus Titanoxid gemäß der Erfindung. Die Gesamtzahl
der kombinierten Schichten aus Siliciumdioxid und Tantaloxid ist idealerweise so groß wie möglich,
um eine maximale optische Leistungsfähigkeit zu erhalten, doch müssen
Spannungs-Betrachtungen mit der optischen Leistungsfähigkeit ausgeglichen werden. Die Gesamtzahl liegt daher
vorzugsweise im Bereich von 8 bis 100. Spannungs-Betrachtungen werden ein Faktor, wenn 20
Schichten und insbesondere, wenn 60 Schichten erreicht werden.
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In einer Ausführungsform reflektiert der Interferenzfilm 20 IR-Strahlung, die durch den
Wolfram-Glühfaden 17 emittiert wird, zurück zum Glühfaden, während sichtbare Strahlung
durchgelassen wird. Alternativ kann der Interferenzfilm, der die abwechselden Schichten aus Tantaloxid
und Siliciumdioxid umfaßt, in der bekannten Weise entworfen werden, um sichtbare Strahlung zu
reflektieren, während IR-Strahlung durchgelassen wird. In noch einer anderen Ausführungsform
kann der Film 20 derart entworfen werden, daß er Strahlung innerhalb einer speziellen Region des
elektromagnetischen Spektrums durchläßt, während Licht reflektiert wird, von dem nicht
erwünscht ist, daß es übertragen wird.
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Die Figuren 2 und 3 sind SEM-Aufnahmen, die Tantaloxid-Schichten mit einer und ohne
eine benachbarte Titanoxid-Schicht zeigen. Diese Schichten werden durch ein LPCVD-Verfahren
unter Einsatz von Tantalethoxid und Titanethoxid oder Titanisobutoxid hergestellt.
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Figur 2 zeigt einen Tantaloxidfilm auf einer Vorschicht aus Titanoxid in 7000-facher
Vergrößerung. Die Vorschicht aus Titanoxid hatte eine Dicke von 130 Å, und die gesamte Filmdicke
betrug 3800 Å. Die Probe wurde rasch auf 850ºC in Luft erhitzt und bei dieser Temperatur 24
Stunden lang gehalten, um einen Beanspruchungstest auszuführen.
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Figur 3 zeigt einen Tantaloxidfilm ohne eine Vorschicht aus Titanoxid in 7000-facher
Vergrößerung. Der Tantaloxidfilm hatte eine Dicke von 2900 Å, und er wurde zum Vergleich mit Figur
2 hergestellt. Es sind Risse und Buckelbildung zu sehen. Ein Vergleich der Figuren 2 und 3 zeigt
deutlich, daß das Vorhandensein einer Vorschicht aus Titanoxid gemäß der Erfindung
vorteilhafterweise in einer sehr viel kleineren Kristallinität der benachbarten Tantaloxid-Schicht resultierte,
verglichen mit der Tantaloxid-Schicht, die keine benachbarte Titanoxid-Schicht aufwies.
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Röntgenstrahlbeugungs(XRD)-Studien von Tantaloxid-Schichten, die gemäß der Erfindung
hergestellt waren, zeigten breite Peaks geringer Intensität trotz einer Kornstruktur mit Kristalliten
von 1-2 um Größe. Diese Verbreiterung im XRD-Muster wird internen Spannungen im Film
und/oder kristallinen Unvollständigkeiten zugeschrieben, die beide in Filmen für optische
Anwendungen unerwünscht sind. Sie erzeugen einen schwächeren Film mit einer großeren Neigung zur
Trennung an Korngrenzen. Solche Filme üben mehr Spannung auf das Substrat aus, was das
Abspalten und Abheben des Films vom Substrat verstärkt. Sowohl das Abheben als auch das
Abspalten des Films verringert das optische Reflektionsvermögen des Films in unerwünschter Weise und
verstärkt das optische Streuen.
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Ein schwerer Test hinsichtlich der Abspaltung von einzelnen Schichten aus
Tantaloxidfilmen und Mehrfachschichten aus Tantaloxid/Siliciumdioxid-Filmen besteht darin, diese rasch auf
oberhalb 800ºC zu erhitzen. Die resultierenden Filmmuster solcher rasch erhitzter Proben wurden
unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtet. Das so erzeugte Reißen/Abheben von
Tantaloxid ergibt sich aus der Keimbildung und dem Wachstum kristallinen Tantaloxids aus der
amorphen Phase. SEM-Studien reiner Tantaloxid-Schichten zeigten ein Filmreißen und -abheben
der gerissenen Kanten vom Quarzsubstrat. Die Abscheidung von Tantaloxid über einem
Titanoxidfilm von 130 Å beseitigt dramatisch das Filmreißen/Abheben aufgrund von Kristallisation des
Tantaloxids, wie in Figfur 2 gezeigt. Die Titanoxid-Schicht ist aus Anatasekörnern im
Submikronbereich zusammengesetzt. Die Korngröße des Tantaloxidfilms (mit Titanoxid-Vorschicht) liegt
ebenfalls im Submikronbereich, und sie wird, wie oben ausgeführt, um einen Faktor von etwa 3
verringert, d.h. von 1-2 um auf 0,3-0,6 um, verglichen mit einer undotierten Tantaloxid-Schicht, die ohne
benachbarte Titanoxid-Schicht kristallisierte, wie in Figur 3 gezeigt. Die Verringerung der
Korngröße macht deutlich, daß die Titanoxid-Schicht die Keimbildungs-Frequenz von
Tantaloxid-Körnern fördert. Zusammenfassend kann das Filmreißen und -abheben durch Abscheiden von
Tantaloxid über oder unter einer dünnen Titanoxid-Schicht mit einer Dicke im Bereich von etwa 50 bis
etwa 500 Å, vorzugsweise von etwa 50 bis etwa 150 Å, kontrolliert werden.
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Figur 4 ist ein errechnetes Spektrum des Reflektionsvermögens eines weiteren Beispiels
eines Interferenzfilters gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Interferenzfilter ist ein
IR-reflektierender Filter aus Tantaloxid/Siliciumdioxid mit Vorschichten aus Titanoxid, und er weist insgesamt
35 Schichten auf. FILM *STAR -Software für mehrschichtige optische Überzüge wurde benutzt,
beginnend mit einem konventionellen 24 Schichten-Design eines Interferenzfilters mit
abwechselnden Schichten von Tantaloxid und Siliciumdioxid (jeweils 12 Schichten) wobei sich die meisten der
Tantaloxid-Schichten auf einer dünnen Schicht aus Titanoxid befanden und in Kontakt damit
standen. Die Dicken des Tantaloxidfilms wurden im Hinblick auf die Titanoxid-Schichten verringert,
und das Design wurde erneut optimiert. Bei diesem speziellen Design wurde es als vorteilhaft
festgestellt, eine Titanoxid-Schicht vor der Tantaloxid-Schicht 28 wegzulassen.
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Wie in der US-PS 5,138,219, Spalte 7, Zeilen 53-63,erwähnt, gibt es eine große Anzahl von
kommerziell erhältlichen Computerprogrammen zum Optimieren von Mehrschichtüberzügen, und
eine solche Liste von fünfzehn Verkäufern und Programmen findet sich auf Seite 144 des
PHOTONICS SPECTRA Magazin vom September 1988, einem Journal der optischen Industrie. In
dieser Liste sind als nicht einschränkende Beispiele genannt CAMS, das von Optikos, 143 Albany
Street, Cambridge, MA 02139 erhältlich ist und FILM *STAR , das von FTG Software Associates,
Postfach 579, Princeton, NJ 08524 erhältlich ist.
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Es folgt eine Liste der 35 Schichten des Interferenzfilters der Figur 4. Das Material hohen
Brechungsindex, H, ist Tantaloxid mit einem Brechungsindx von etwa 2,19; das Material geringen
Brechungsindex, L, ist Siliciumdioxid mit einem Brechungsindex von etwa 1,45; die Schichten T
sind dünne Schichten aus Titanoxid mit einem Brechungsindex von 2,54. Die Brechungsindices
wurden bei 600 um bestimmt.
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Die optischen Dünnfilm-Überzüge des Interferenzfilters der vorliegenden Erfindung können
nach irgendeinem einer Vielfalt von Verfahren hergestellt werden, einschließlich thermischer
Verdampfung, Zerstäuben, Techniken der Lösungsabscheidung, wie Tauchüberziehen und CVD. Wie
im vorstehenden erläutert, werden die optischen Dünnfilmüberzüge des Interferenzfilters der
vorliegenden Erfindung jedoch vorzugsweise nach einem CVD-Verfahren und am bevorzugtesten nach
einem LPCVD-Verfahren hergestellt, bei dem ein geeignetes Reagenz aus einer Metalloxid-Vorstufe
oder Reagenzien für jedes Material des Films separat in eine Zersetzungskammer eingeführt
werden, wo sie zersetzt oder umgesetzt werden, um das Metalloxid auf einem erhitzten Substrat zu
bilden.
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Das LPCVD-Verfahren gestattet das Aufbringen dieser Überzüge auf Oberflächen mit einer
komplexen Gestalt, und es gestattet eine gute Kontrolle der Dicke. Separate Schichten aus
Siliciumdioxid und Tantaloxid (und Titanoxid, wenn solches benutzt wird) werden in dieser Weise auf
das Substrat aufgebracht, bis das erwünschte Filterdesign erzielt ist. Solche Techniken des
chemischen Bedampfens sind dem Fachmann gut bekannt, und sie sind, z.B., in den US-PSn 4,006,481;
4,211,803; 4,393,097; 4,435,445; 4,508,054; 4,565,747 und 4,775,203 offenbart.
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Beim Bilden der Metalloxid-Filme auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung
wird das Substrat in einer Abscheidungskammer angeordnet. Die Kammer ist im allgemeinen
innerhalb eines Ofens enthalten, so daß das Substrat die erwünschte Temperatur erreicht, um die
Reaktion oder Zersetzung und gleichzeitige Abscheidung des Metalloxid-Films auf dem Substrat zu
erzielen. Diese Temperaturen liegen im allgemeinen in einem Bereich zwischen 350 und 600ºC, was
von den besonderen eingesetzten Reagenzien abhängt.
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Für ein LPCVD-Verfahren wird die Abscheidungskammer evakuiert, und man läßt eine
geeignete metallorganische Vorstufe des erwünschten Metalloxids im Dampfzustand durch die
Abscheidungskammer
mittels geeigneter Einrichtungen strömen. Wenn das Reagenz in die
Abscheidungskammer strömt, wird es unter Abscheidung eines Metalloxidfilms auf dem Substrat zersetzt.
Ist die erwünschte Filmdicke erreicht, dann wird die Strömung des Reagenz beendet, die Kammer
wird evakuiert, und man läßt das Reagenz für ein anderes Material in die Abscheidungskammer
strömen, bis die erwünschte Dicke dieses Materials erzielt ist. Das Verfahren wird wiederholt, bis
der erwünschte Mehrschicht-Interferenzfilter gebildet ist.
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Veranschaulichende, aber nicht einschränkende Beispiele von Verbindungen, die zum
Einsatz in der vorliegenden Erfindung zum Abscheiden eines Siliciumdioxid-Films durch CVD oder
LPCVD geeignet sind, schließen Diacetoxydibutoxysilan, Tetraacetoxysilan und
Siliciumtetrakisdiethyloxamin ein. Geeignete Reagenzien zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung zum
Abscheiden eines Films aus Tantaloxid durch CVD oder LPCVD schließen Tantalmethoxid,
Tantalpentaethoxid, Tantalisopropoxid, Tantalbutoxid, gemischte Tantalalkoxide und Tantalpentachlorid und
Wasser und/oder Sauerstoff ein. Geeignete Reagenzien zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung
zum Abscheiden eines Films aus Titanoxid durch CVD oder LPCVD schließen Titanmethoxid,
Titanethoxid, Titanpropoxid, Titanisopropoxid, Titanbutexid, Titanisobutoxid und gemischte
Titanalkoxide ein.
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In der Abscheidungskammer ist kein Trägergas erforderlich, um die Bewegung des (der)
Reagenz (Reagenzien) durch die Kammer zu erleichtern, obwohl ein inertes Trägergas benutzt
werden kann, falls erwünscht, wie im Stande der Technik bekannt. Der Druck in der Kammer während
des Abscheidungs-Verfahrens wird im allgemeinen im Bereich zwischen 0,1 und 5,0 Torr liegen,
was von dem eingesetzten Reagenz und der Temperatur des Substrates abhängt. Für ein
CVD-Verfahren kann atmosphärischer Druck angewendet werden. Die Strömungsrate des gasförmigen
Reagenz in der Abscheidungskammer liegt im allgemein zwischen etwa 10 und 50.000 cm³ unter
Standardbedingungen (SCCM), was von der Größe der Reaktionskammer, dem Reagenz, der
Anwesenheit eines Trägergases und der erwünschten Abscheidungsrate usw. abhängt.
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Einzelne Schichten von Metalloxid können gleichförmig unter Anwendung dieses
Verfahrens abgeschieden werden, und Schichten mit einer Gleichförmigkeit der Filmdicke innerhalb von ±
etwa 2% wurden erfolgreich sowohl auf flachen als auch gekrümmten Substraten abgeschieden.
Gleichmäßige Filme aus Tantaloxid, Titanoxid und Siliciumdioxid können in Dicken im Bereich von
etwa 100 bis etwa 20.000 Å gebildet werden.
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Beim Bilden der abwechselnden Schichten von Siliciumdioxid, Tantaloxid und Titanoxid des
Interferenzfilters der vorliegenden Erfindung wird zuerst eine Schicht aus Tantaloxid oder
Siliciumdioxid abgeschieden, und das Strömen des speziellen Siliciumdioxid- oder Tantaloxid-Reagenz
zur Kammer wird beendet, die Kammer wird evakuiert, und dann wird eine Strömung des Reagenz
in die Kammer eingeleitet, das eine Vorstufe oder Reaktant für einen anderen Film ist. Das
Verfahren wird wiederholt, bis die erwünschte Anzahl von Schichten für den Interferenzfilter gebildet ist.
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Während nicht gewünscht wird, an irgendeine spezielle Theorie gebunden zu sein, wird
angenommen, daß das Erhitzen von Interferenzfiltern gemäß der vorliegenden Erfindung in einem
Temperaturbereich von 550 bis 800ºC zur Kristallisation der Tantaloxid-Schichten führt, um eine
große Anzahl von Tantaloxid-Kristalliten ohne merkliches Wachstum der einzelnen Kristallite und
die dazugehörige Ausbildung der katastrophalen Spannung zu bilden, die sich aus einem solchen
Kristallwachstum ergibt. Vorzugsweise wird die Temperatur zwischen etwa 650 und etwa 675ºC
liegen, weil bei Temperaturen unter etwa 600ºC die Kristallit-Bildung eine zu lange Zeit benötigt
und kommerziell nicht machbar ist. Die Tantaloxid-Schicht, wie durch CVD oder LPCVD bei einer
Temperatur von 350 bis 550ºC abgeschieden, ist amorph, und es wird angenommen, daß die
nachfolgende Wärmebehandlung bei 550 bis 800ºC die Bildung von Kristalliten in einer genügenden
Menge gestattet, um die Bildung der katastrophalen Spannung zu vermeiden, die sich aus dem
anisotropen Wachstum der orthorhombischen Tantaloxid-Kristallite ergibt. Die vorliegende Erfindung
verringert die Noiwendigkeit für eine Glühbehandlung, und bei Komb;nation mit einer
Glühbehandlung verringert sie die Spannung in den Siliciumdioxid-Schichten, erzeugt Filter mit weniger
Reißen, Abheben, Abspalten und anderen mit Spannung im Zusammenhang stehenden
Beschädigungen.