EP1955098A1 - Temperaturstabiles schichtsystem - Google Patents

Temperaturstabiles schichtsystem

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Publication number
EP1955098A1
EP1955098A1 EP06829114A EP06829114A EP1955098A1 EP 1955098 A1 EP1955098 A1 EP 1955098A1 EP 06829114 A EP06829114 A EP 06829114A EP 06829114 A EP06829114 A EP 06829114A EP 1955098 A1 EP1955098 A1 EP 1955098A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
layer system
thermally
profile
refractive index
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06829114A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Vergöhl
Christoph Rickers
Frank Neumann
Christina Polenzky
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1955098A1 publication Critical patent/EP1955098A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G02B5/289—Rugate filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines

Definitions

  • the invention relates to a layer system, in particular an optical layer system.
  • Layer systems are widely used for functionalizing surfaces or components.
  • optical layer systems which are constructed of optically high and low refractive index materials applied alternately on a substrate are used as optical interference filters.
  • Thin-film interference filters are known from many fields such as architectural glass coating, laser optics, telecommunications / data transmission, decorative applications, spectacle coatings, general imaging reflections.
  • US Pat. No. 6,021,001 discloses a layer system in the form of a filter in which the respective layers have different thicknesses for producing desired refractive indices in order to be able to filter out specific wavelengths.
  • a polarizing beam splitter is known, wherein a rugate filter used in this case can be produced by depositing differently thick layers of two different materials. Each layer has a different mixing ratio of both materials.
  • the object of the present invention is to expand the field of application of layer systems and in particular to improve long-term stability.
  • the layer has a mixing profile which varies at least approximately continuously with a layer thickness without forming a boundary layer between the first and the second material ,
  • the continuously varying mixture profile allows a higher thermal load capacity of the layer system.
  • the functionality of the layer system is improved in applications where, for example, temperature loadings of up may occur to 1000 0 C.
  • a lower optical scattering at a temperature load is made possible.
  • the layer system allows a reduction of coated with an optical functional layer Lamp bulb, wherein preferably a thermal crystallization of the layer is at least reduced compared to conventional interference coatings, which are constructed for example of alternating successive high or low refractive ⁇ / 4- layers.
  • the layer system allows use in temperature ranges that are not yet accessible with conventional interference layer systems.
  • a thermally loaded element is for example a component.
  • an optical component, an electrical component, an electronic component or the like may be provided as a component.
  • Thermal stress is a temperature of at least 150 0 C, particularly a temperature stress at a temperature above 300 ° C, preferably above 400 ° C.
  • a thermal stress is a temperature stress between about 400 ° C and 1000 ° C.
  • the thermal capacity takes place according to an embodiment in the operation of the element.
  • the thermal load is carried out in tests, in particular thermal tests.
  • the element can then be operated in operation with lower temperatures, under which it is also resilient.
  • a layer system is, for example, a sequence of individual layers coordinated for a corresponding surface and / or component functionalization.
  • a layer system can consist of a single layer, which is applied to a substrate.
  • the optical or electrical functionalization is mentioned.
  • Optical functionalization can be, for example, a thin-film interference filter, in particular in the fields of architectural glass, laser optics, communication / data transmission, decorative applications, spectacle coatings, general reflections or the like.
  • a layer system can also be provided for influencing electrical layer properties, for example for, in particular, transparent electrodes.
  • a metal, metal oxide, oxide, nitride or carbide can be selected as the first or second material.
  • a metal, metal oxide, oxide, nitride or carbide can be selected as the first or second material.
  • oxides or nitrides customary in optical coatings of the metals Ti, Al, Si, Ta, Nb, Mg and the like.
  • transparent and conductive oxides is possible.
  • a thickness of the layer is, for example, in a range of several nm to several ⁇ m.
  • a layer or a layer system can have a thickness of a few 10 ⁇ m.
  • the mixture profile can be determined by the proportions of the first material and the second material as a function of the layer thickness.
  • the proportions can be specified, for example, as volume fractions. Alternatively, the proportions can be specified in particular as parts by weight.
  • the mixture profile preferably shows a continuous, strictly continuous course with the layer thickness.
  • the mixing profile varies only approximately continuously with the layer thickness.
  • the mixture profile may vary in a staircase, but there is no boundary layer between the first and the second material. Rather, the mixture profile has, in particular for each layer thickness, a mixture of first and second material which lies between the first and the second material.
  • a merely approximately continuous mixing profile can be expedient, for example, due to a coating process for technical reasons or for economic reasons.
  • the region of the varying mixture profile may extend only over a partial region of the layer system.
  • a mixing ratio in a region below or above the region of the mixing profile can be made constant. For example, both sides are followed by constant mixing ranges.
  • the layer system can be arranged in the thermally loadable element.
  • the layer system is embedded in the thermally loadable element.
  • it may be arranged between two capacitor electrodes.
  • the layer system is arranged on the thermally loadable element.
  • the layer system is provided as a surface of the thermally loadable element.
  • the layer has a lower crystallizability in comparison to a layer of approximately the same thickness with discrete successive partial layers of the first and the second material.
  • a layer of approximately the same thickness for example, is based on a conventional layer structure, which in the case of an optical layer system is, in particular, an alternating sequence of high-index or low-index ⁇ / 4 layers.
  • approximately the same thickness of antireflection coating systems should be considered for an identical antireflective wavelength range.
  • the temperature increase is particularly related to a reference value at room temperature.
  • Crystallizability is to be understood in particular as the possibility of producing a transition of the layer material from a substantially amorphous state into a crystalline state, for example by increasing the temperature, within the layer.
  • small crystallites are formed with increasing temperature. These grow in particular with the temperature.
  • an optical scattering can be used as a measure of a crystallinity of the layer.
  • the so-called haze can be considered at a light wavelength ⁇ .
  • the haze diffuses in transmission at an angle of incidence of 0 ° diffusely from the sample in the forward direction, i. in the transmission direction, scattered light intensity, wherein the haze is normalized to the intensity of the total transmitted intensity, which includes both the diffused and the directed portion:
  • an integrating sphere is used in conjunction with a spectrophotometer.
  • the haze is viewed in a wavelength range.
  • an area under the spectra is preferably evaluated in the wavelength range of the light relevant to a filter in question and referred to below as the "integral Haze value" ("iHaze").
  • the wavelength is to be used in the integration according to the above rule for the calculation of iHaze preferably in numerical values corresponding to an indication in nm dimensionless.
  • a high temperature stability of a sample is particularly noticeable in a very small even after tempering Streuody.
  • the layer system at least in a temperature range of 400 0 C to 800 0 C compared to a layer of about the same Thickness with discretely successive partial layers of the first and the second material has an at least 20% lower increase in the Haze value based on a respective Haze value at Jardintempertur.
  • the layer system at least in a temperature range from 400 ° C. to 800 ° C., has an at least 50% lower increase in the thickness compared to a layer of approximately the same thickness with discrete successive partial layers of the first and the second material Haze value based on a respective Haze value at room temperature.
  • the Haze value is determined according to an embodiment in an spectral range of 380 nm to 1500 nm as an integral value. However, it may also be provided to consider the hue value for one or more individual wavelengths. In particular, the Haze value can be used in one or more spectral ranges. In particular, a spectral range relevant for the functionality of the layer system is used.
  • the layer system at a temperature of 700 0 C has a haze value of at most 120 integrated in a spectral range from 380 nm to 1500 nm.
  • the wavelength shall be used in the integration according to the above rule for the calculation of iHaze in nm.
  • an infrared reflection filter which has a periodically alternating refractive index profile, can be provided.
  • a layer thickness is for example about 5 microns.
  • the first material has a first refractive index and the second material has a second refractive index different from the first, wherein the layer further has a continuous refractive index profile varying with the layer thickness.
  • the refractive index profile is a function of the mixing profile.
  • the refractive index profile can be calculated by considering it as an effective medium from the mixture profile.
  • a mixture profile profile can be determined from a predetermined refractive index profile.
  • the refractive index is to be understood as a complex refractive index. With negligible absorption of the layer, a real refractive index can preferably be used.
  • the layer system is part of a thin-film interference filter.
  • the layer system is embedded in further layers of a thin-film interference filter.
  • the layer system can or be surrounded on both sides by at least one conventional interference layer stack.
  • the layer system is formed by the thin-film filter.
  • a conventional layer system may be embedded on either side of a respective layer having a continuous refractive index profile.
  • the layer system comprises a substrate from the group comprising quartz, float glass and Al 2 O 3 .
  • a substrate is preferably selected in an optical layer system for the visible to the human eye spectral range, which extends approximately between 380 nm and 750 nm, and / or the near infrared spectral range, which extends from about 750 nm to 1500 nm.
  • the layer system has a substrate from the group comprising silicon and germanium.
  • a substrate from the group comprising silicon and germanium.
  • Such a material is selected in particular in an optical layer system for an infrared spectral range at wavelengths above 1500 nm.
  • the mixture profile comprises a periodic profile.
  • the mixture profile has a continuously differentiable course with the layer thickness.
  • the course has a number of minima and maxima.
  • an apodization of the periodic profile is provided.
  • the layer comprises at least one rugate filter.
  • the layer is a gradient layer.
  • a continuous increase in the mixing profile starting from a substrate can be provided.
  • the layer system comprises, preferably consists of, an optical filter from the group comprising edge filters, bandpass filters, antireflection layers and mirroring.
  • a single layer having a continuous refractive index profile may be provided on a substrate as an optical filter.
  • the layer system may also comprise an optical filter and a further functional layer, in particular a scratch-resistant layer.
  • at least one layer with a continuous refractive index profile can be converted on one or both sides of at least one conventional interference layer stack. be ben.
  • a layer system may be provided which alternately has both one or more layers with a continuous refractive index profile as well as one or more conventional interference layer stacks.
  • a conventional layer system may be embedded on either side of a respective layer having a continuous refractive index profile.
  • first and / or second material in particular for an optical layer system, various materials may be provided.
  • the first and / or the second material are from the group consisting of SiO 2 , MgF, Al 2 O 3 , TiO 2 , Si 3 N 4 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , HfO, SnO 3 , ZnO, Bi 2 O 3 , ZrO 2 and ZrO 2 : Y are selected.
  • the first material is selected from the group comprising SiO 2 , MgF, Al 2 O 3 .
  • the second material is preferably selected from the group consisting of TiO 2 , Si 3 N 4 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , HfO, SnO 3 , ZnO, Bi 2 O 3 , ZrO 2 and ZrO 2 : Y.
  • the first and / or the second material are selected from the group comprising SiO 2 , Si and Ge.
  • SiO 2 is selected as the first material and Si or Ge as the second material.
  • the first material is chosen to be oxidic and the second material to be non-oxidic.
  • the second material is an oxide of the first material.
  • the second material may be a nitride of the first material.
  • the layer comprises a rugate filter which has SiO 2 as the first material and Ta 2 O 5 as the second material.
  • this allows the refractive index profile to be set approximately between 1.46 and 2.2.
  • the layer comprises a rugate filter which has SiO 2 as the first material and Nb 2 O 5 as the second material.
  • this allows the refractive index profile to be set approximately between 1.46 and 2.4.
  • the layer comprises a rugate filter which has SiO 2 as the first material and tantalum zirconium oxide as the second material.
  • this allows the refractive index profile to be set approximately between 1.46 and 2.3.
  • the layer system has a smaller angle dependence of the reflection and / or transmission in comparison to a layer of approximately the same thickness with discrete successive partial layers of the first and the second material.
  • a functionality of an optical filter can thereby be improved. For example, an efficiency of a solar absorber system can be improved.
  • the layer constitutes a diffusion barrier.
  • the diffusion barrier has an increased thermal stability compared to a conventional layer.
  • a diffusion over Komgren- zen which arise in a crystallization, reduced as a result of reduced crystallizability at a temperature increase.
  • the layer system is provided as an insulator layer in a capacitor.
  • a lower crystallizability allows a reduced temperature dependence of the dielectric function of the insulator layer. In particular, this enables improved temperature stability of an electrical circuit.
  • the layer system is provided in or / and on a semiconductor component.
  • an insulator layer can be made more temperature-resistant.
  • the layer system may be provided as a gate electrode, in a memory element, in a varistor, in a transistor or the like.
  • a thermally stressed light source This is, for example, a projector lamp.
  • a projector lamp can be further downsized compared to a projector lamp with a conventional coating.
  • an efficiency of an imaging system in a projector can be improved.
  • an image of stray light on a projector aperture is reduced.
  • the thermally loadable element according to at least one of the above-described embodiments, a solar collector.
  • the layer system can be used to increase the efficiency.
  • an infrared reflector with a steep edge at 3.5 ⁇ m is used to optimize the ratio of injected solar radiation and reflected absorber radiation. see.
  • a high temperature resistance as low as possible angular dependence of the function of the layer system under preferably almost all angles between 0 ° and 90 ° possible.
  • the thermally loadable element according to at least one of the embodiments described above is a thermally toughenable glass.
  • the layer system is provided as a layer system applied to a thermally toughened glass before an annealing step.
  • an optical functional coating applied before an annealing process undergoes no or at least only a slight impairment of the optical quality during an annealing process, in particular with regard to optical scattering properties.
  • the invention relates to a component, in particular an optical component, comprising at least one layer system according to at least one of the above-described embodiments.
  • a component is, for example, an optical lens, a viewing window, a transparent conductive electrode or the like.
  • a component for example, a capacitor or a semiconductor device may be provided.
  • a solar absorber, a lamp body, a window or the like is provided as a component.
  • the invention relates to a method for producing a layer system of a thermally loadable element according to at least one of the embodiments described above, wherein on a substrate at least one layer with at least a first and at least one different second material is deposited, one with a layer thickness at least is set approximately continuously varying mixing profile of the first and second material.
  • the layer system has a lower crystallizability with an increase in temperature than an approximately equally thick conventional layer system.
  • the first and the second material are deposited by means of a vacuum coating method.
  • a physical vapor deposition PVD, chemical vapor deposition, CVD, or a physically activated chemical vapor deposition is used.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • a physically activated chemical vapor deposition is used.
  • a deposition temperature is preferably below 100 ° C.
  • the first and the second material are deposited by means of a co-sputtering process.
  • Deposition takes place, for example, using sputtering targets from the respective first and second material.
  • sputtering targets from the respective first and second material.
  • a sputtering target of TiO 2 and one of SiO 2 are used.
  • it can also be provided to sputter the first and / or the second material in a reactive gas atmosphere of a respective metallic target.
  • a formation of the first or the second material takes place in this case, in particular on the layer.
  • Ar at a pressure of about 1.3 x 10 -3 mbar is used as the sputtering gas in a magnetron sputtering process, for example oxygen is used as the reactive gas, for example when TiO 2 is selected as the first material and SiO 2 as the second material in a reactive process, a sputtering target of Ti and one of Si used.
  • the first and second materials are deposited by a co-evaporation process.
  • a thermal or electron beam-guided vapor deposition process is selected in each case. It can also be provided to evaporate a material by means of electron beam and the second material thermally.
  • the layer system is deposited on a glass substrate and, in a further step, the glass substrate is thermally pre-stressed.
  • the optical functional coating preferably undergoes no or at least only a slight impairment of the optical quality, in particular with regard to optical scattering properties.
  • Fig. 1 a continuous refractive index profile of a first layer system
  • FIG. 2 a reflection course of the first layer system
  • FIG. 3 shows a discrete refractive index profile of a second layer system according to the prior art
  • FIG. 6 shows a reflection course of the third layer system
  • FIG. 7 shows a dependence of an integral Haze value of the three layer systems on the temperature
  • FIG. 8 X-ray spectra of the three layer systems after an annealing step at 700 °;
  • FIG. 10 X-ray spectra of the three layer systems after an annealing step at 775 °;
  • FIG. 11 shows an angle dependence of the substrate-side reflection of a fourth layer system
  • FIG. 12 shows an angle dependence of the layer-side reflection of the fourth layer system
  • FIG. 13 shows an angle dependence of the substrate-side absorption of the fourth layer system
  • FIG. 14 shows an angle dependence of the layer-side absorption of the fourth layer system
  • FIG. 15 shows an angle dependence of the substrate-side transmission of the fourth layer system
  • Fig. 1 shows a continuous refractive index profile 1 of a first layer system. Plotted on the abscissa is the layer thickness. The ordinate plots the refractive index at a wavelength of 572 nm. Absorption is negligible, which is why the refractive index is real.
  • Schematically represented is the substrate 2, which is arranged at layer thicknesses below 0 nm on the axis, and the layer 3, which has a continuous refractive index profile and is up to about 4 ⁇ m. stretches. This is followed by a schematically illustrated half-space 4 "air" as discharge medium. As a layer design, a reflection at a wavelength of 1064 nm was selected. Shown is the refractive index profile before an annealing step.
  • This first layer system was deposited from base materials SiO 2 as the first material and Ta 2 O 5 as the second material in an RF magnetron sputtering system. Ceramic sputtering targets made of SiO 2 or Ta 2 O 5 were used in conjunction with the radio frequency excitation called RF excitation.
  • the layer deposition was carried out with a constant total power of 800 W and variable power components on the cathodes or sputtering targets in an Ar / O 2 atmosphere at about 1.5 ⁇ 10 -3 mbar.
  • the performance shares were varied. However, a cathode was never completely switched off, but operated during the coating process at least with a minimum power of 100 W.
  • the mixture profile has no points with a pure composition of the first or the second material.
  • the layer always contains at least small portions of the first and at least small portions of the second material. Even small amounts of the first or second material in a mixture of the materials preferably lead to an inhibition of crystallization.
  • a Si target and a tantalum target can be atomized in a reactive argon-oxygen atmosphere.
  • a coupling of the two parallel processes via the oxygen partial pressure is taken into account by means of a regulation.
  • first material and the second material can be provided in a co-evaporation process.
  • a thermal or electron beam-guided vapor deposition process can be selected.
  • a material can be thermally evaporated by means of electron beam and the second material.
  • the refractive index profile of the first layer system was given as a periodic rugate filter.
  • the refractive index profile has a sine modulation with a Apodization on.
  • a curve was chosen according to a function exp (-x 4 ).
  • the abscissa represents the wavelength in nm and the ordinate the reflection at vertical incidence.
  • the reflection shows a narrow-band region 5 of almost complete reflection in the region around the mirroring wavelength of 1064 nm.
  • Fig. 3 shows a discrete refractive index profile of a second layer system according to the prior art. Shown is the refractive index profile at a wavelength of 572 nm before an annealing step. Absorption is negligible, which is why the refractive index is real.
  • the second layer system was produced as a comparison to the first layer system, wherein it was ensured that the first layer system and the second layer system have an approximately equal thickness. As a layer design, a reflection at a wavelength of 1064 nm was selected with a conventional ⁇ / 4 stack.
  • the abscissa represents the wavelength in nm and the ordinate the reflection at a low incidence.
  • the reflection shows a narrow-band region 5 of almost complete reflection in the region around the mirroring wavelength of 1064 nm.
  • significantly more pronounced secondary maxima 6 can be seen.
  • the reflection curve has a larger half width 7.
  • Fig. 5 shows a continuous refractive index profile of a third layer system at a wavelength of 559 nm.
  • the refractive index in turn is real due to the negligible absorption.
  • This has a layer design, which is designed with regard to an application as an edge filter.
  • This is a layer system for flashing lights with the aim to provide a steep edge 8 at about 550 nm.
  • the third layer system was also deposited as the first and the second layer system with SiO 2 as the first material and Ta 2 O 5 as the second material.
  • the layer system consists of a layer with a continuously varying refractive index profile, which is applied to a substrate. This is shown schematically in the figure. Plotted on the abscissa is the layer thickness.
  • the refractive index is plotted.
  • the substrate is arranged on the axis at layer thicknesses below O nm, the layer having a continuous refractive index profile extending to about 5 ⁇ m. This is followed by a schematically illustrated half-space "air" as the exit medium.
  • the refractive index profile is a periodically varying profile which oscillates between a refractive index of 1.54 and 2.14.
  • the spectral profile has a sharp edge at about 550 nm. Above this edge 8, the third layer system transmits almost completely. Below the edge 8, the transmission is reduced to almost zero. Shown is the dashed line of the measured transmission profile. The solid curve shows a calculated course, with a material absorption was neglected.
  • FIG. 7 shows a dependence of an integral haze value of the three layer systems on the temperature.
  • the samples were subjected to a Temper Towers Research, in which they were each successively 1 hour each increased by 50 0 C increasing temperatures. After each annealing step, the samples were measured by means of X-ray diffractometry, XRD, and directional and integral spectrophotometric measurements of reflection R and transmittance T. The spectrophotometric measurements were carried out in particular to determine the integral Haze value.
  • the spectral range used was the wavelength range from 380 nm to 1500 nm. This was a direct comparison of the optical properties of "mixed oxide" filters with a continuous mixing profile or refractive index profile on the one hand and conventional interference filters on the other hand under a temperature load.
  • the first, the second and the third layer system were annealed from a temperature of 400 0 C for 1 hour each successively, analyzed and fed to a re-annealing step at an elevated to 50 0 C temperature.
  • a value was taken in each case at room temperature. Shown on the abscissa is the temperature and on the ordinate the integral Haze value.
  • the solid curve shows the course for the first layer system.
  • the dashed curve with the measuring points shown as triangles shows the course for the second layer system and the dashed curve with the measuring points shown as squares shows the course for the third layer system.
  • the temperature dependence of the integral Haze value clearly shows that the first and the third layer system, which have a continuous mixing profile profile or refractive index profile, have a smaller increase in the scattering with the temperature. In particular, this results in a reduced tendency to form crystallites, which leads to an increase in the optical scattering power and the integral Haze value.
  • the second, conventional, layer system shows an increase in the integral Haze value to a maximum of about 270 at 775 ° C from a value of about 150 at 0 ° C.
  • the increase is about 80%.
  • the first layer system shows an increase in the integral Haze value to a maximum of about 195 at 775 ° C, starting from a value of about 120 at 0 ° C. The increase is thus about 63%.
  • the third layer system shows an increase in the integral Haze value to a maximum of about 120 at 775 ° C, starting from a value of about 100 at 0 ° C. The increase thus amounts to about 20%.
  • the increase in temperature is about 75% less than in the case of the second conventional system.
  • the second layer system already preferably has an increased temperature resistance compared with a similar layer system with a layer sequence of pure materials.
  • FIG. 8 shows X-ray spectra of the three layer systems after an annealing step at 700 °.
  • FIG. Shown on the ordinate is a Zählrohrintenstician and on the abscissa of the double angle of incidence of an X-ray used for the measurement in degrees. In the 2 ⁇ scan shown, no crystalline component is visible in the layer systems. Rather, they are amorphous.
  • This fourth layer system is an infrared reflection filter, for example for applications on quartz windows of solar receivers for protecting the substrate against blackbody radiation of the absorber and for increasing the efficiency by incorporating coupled-in power.
  • a desired property of this filter system is a negligible absorption in the solar light spectral range in conjunction with the highest possible reflection for absorber radiation. In particular, it is desirable to provide this functionality for an extremely wide range of angles. Shown are calculated reflection spectra for different angles from 0 ° to 90 °, wherein the angle is varied in each case in 10 ° -steps. The reflectance measurements were made through the substrate. As the substrate, a quartz glass was used. This was a 5 mm thick GE 214 substrate. There was an increasing reflection in the wavelength range between 4000 ⁇ m and 8000 ⁇ m with increasing angles.
  • FIG. 12 shows an angle dependence of the layer-side reflection of the fourth layer system. Shown are calculated reflection spectra for different angles from 0 ° to 90 °, wherein the angle is varied in each case in 10 ° -steps. The calculation is given for reflection from the layer side. Again, there is an increasing reflection in the wavelength range between 4000 microns and 8000 microns with increasing angle.
  • FIG. 13 shows an angle dependence of the substrate-side absorption of the fourth layer system. Shown are calculated absorption spectra for different angles of 0 ° to 90 °, wherein the angle is varied in each case in 10 ° steps. The absorption was calculated taking into account a light incidence from the substrate side. It shows a decreasing absorption in the wavelength range between 4000 microns and 8000 microns with increasing angle.
  • FIG. 14 shows an angle dependence of the layer-side absorption of the fourth layer system. Shown are calculated absorption spectra for different angles from 0 ° to 90 °, wherein the angle is varied in each case in 10 ° -steps. The calculation of the absorption was carried out in each case on the basis of a light incidence from the layer side. Again, there is a decreasing absorption in the wavelength range between 4000 ⁇ m and 8000 ⁇ m with increasing angle.
  • FIG. 15 shows an angle dependence of the substrate-side transmission of the fourth layer system.
  • calculated transmission spectra for different angles from 0 ° to 90 ° are shown, wherein the angle is varied in each case in 10 ° -steps.
  • the transmission measurements were made on the basis of a light incidence from the substrate side. It shows a decreasing transmission in the visible spectral range with increasing angle.
  • FIG. 16 shows an angle dependence of the layer-side transmission of the fourth layer system.
  • calculated transmission spectra for different angles from 0 ° to 90 ° are again shown, wherein the angle is varied in each case in 10 ° - steps.
  • the calculation was carried out in each case taking into account a light incidence from the substrate side.
  • the spectra due to the optical reciprocity correspond to the spectra shown in Figure 14, which were calculated for transmission from the layer side.

Landscapes

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Abstract

Schichtsystem eines thermisch belastbaren Bauteils mit zumindest einer Schicht zur Erweiterung eines Einsatzbereiches von Schichtsystemen und insbesondere zur Verbesserung einer Lebensdauer, welche wenigstens ein erstes und wenigstens ein zweites Material aufweist und welche ein mit einer Schichtdicke zumindest annähernd kontinuierlich variierendes Mischungsprofil (1) ohne Ausbildung einer Grenzschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Material aufweist.

Description

Temperaturstabiles Schichtsystem
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem, insbesondere ein optisches Schichtsystem.
Schichtsysteme sind zur Funktionalisierung von Oberflächen bzw. Bauteilen weit verbreitet. Beispielsweise werden optische Schichtsysteme, welche aus alternierend auf einem Substrat aufgebrachten optisch hoch- und niedrigbrechenden Materialien aufgebaut sind, als optische Interferenzfilter verwendet. Dünnschicht-Interferenzfilter sind aus vielen Bereichen wie beispielsweise Architekturglasbeschichtung, Laseroptik, Telekommunikation/Datenübertragung, dekorativen Anwendungen, Brillenbeschichtungen, allgemeinen Ent-Λ/erspiegelungen bekannt.
Aus der US 6,021 ,001 geht ein Schichtsystem als Filter hervor, bei dem die jeweiligen Lagen unterschiedliche Dicken zur Erstellung gewünschter Brechungsindizes aufweisen, um spezielle Wellenlängen herausfiltern zu können. Aus EP 1 390 796 B1 ist ein polarisierender Strahlteiler bekannt, wobei ein dabei eingesetzter Rugate-Filter durch Abscheiden unterschiedlich dicker Schichten von zwei verschiedenen Materialien herstellbar sei. Jede Schicht hat ein anderes Mischungsverhältnis beider Materialien.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Einsatzbereich von Schichtsystemen zu erweitern und insbesondere eine Langzeitstabilität zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 , ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruches 30 sowie ein Verfahren mit den Merk- malen des Anspruches 31. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei einem erfindungsgemäßen Schichtsystem eines thermisch belasteten Elementes mit zumindest einer Schicht, welche wenigstens ein erstes und wenigstens ein zweites Material aufweist, weist die Schicht ein mit einer Schichtdicke zumindest annähernd kontinuier- lieh variierendes Mischungsprofil ohne Ausbildung einer Grenzschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Material auf.
Vorzugsweise ermöglicht das kontinuierlich variierende Mischungsprofil eine höhere thermische Belastbarkeit des Schichtsystems. Vorteilhafterweise wird die Funktionalität des Schichtsystems in Anwendungen verbessert, in denen beispielsweise Temperaturbe- lastungen von bis zu 1000 0C auftreten können. Insbesondere wird eine geringere optische Streuung bei einer Temperaturbelastung ermöglicht. Beispielsweise ermöglicht das Schichtsystem eine Verkleinerung von mit einer optischen Funktionsschicht beschichteten Lampenkolben, wobei vorzugsweise eine thermische Auskristallisation der Schicht zumindest vermindert wird im Vergleich zu konventionellen Interferenzbeschichtungen, welche beispielsweise aus alternierend aufeinanderfolgenden hoch- bzw. niedrigbrechenden λ/4- Schichten aufgebaut sind. Vorzugsweise ermöglicht das Schichtsystem den Einsatz in Temperaturbereichen, die mit konventionellen Interferenzschichtsystemen bislang nicht zugänglich sind.
Ein thermisch belastetes Element ist beispielsweise ein Bauteil. Beispielsweise kann als Bauteil ein optisches Bauteil, ein elektrisches Bauteil, ein elektronisches Bauteil oder dergleichen vorgesehen sein. Eine thermische Belastung ist eine Temperatur von zumindest 1500C, insbesondere eine Temperaturbelastung oberhalb einer Temperatur von 300° C, vorzugsweise oberhalb von 400° C. Insbesondere ist eine thermische Belastung eine Temperaturbelastung zwischen etwa 400° C und 1000° C. Die thermische Belastbarkeit erfolgt gemäß einer Ausgestaltung im Betrieb des Elements. Gemäß einer anderen Ausgestaltung erfolgt die thermische Belastung bei Tests, insbesondere thermischen Tests. Das Element kann dann im Betreib mit geringeren Temperaturen betrieben werden, unter denen es auch belastbar ist.
Ein Schichtsystem ist beispielsweise eine für eine entsprechende Oberflächen- und/ oder Bauteilfunktionalisierung abgestimmte Abfolge einzelner Schichten. Insbesondere kann ein Schichtsystem aus einer einzigen Schicht bestehen, welche auf einem Substrat auf- gebracht ist. Als Anwendung ist beispielsweise die optische oder elektrische Funktionali- sierung zu nennen. Eine optische Funktionalisierung kann beispielsweise ein Dünnschicht-Interferenzfilter insbesondere in den Bereichen Architekturglas, Laseroptik, Kommunikation/Datenübertragung, Dekorative Anwendungen, Brillenbeschichtungen, allg. Ent-Λ/erspiegelungen oder dergleichen sein. Des weiteren kann ein Schichtsystem auch zur Beeinflussung elektrischer Schichteigenschaften vorgesehen sein, zum Beispiel für insbesondere transparente Elektroden.
Als erstes bzw. als zweites Material kann insbesondere ein Metall, Metalloxid, Oxid, Nitrid oder Carbid ausgewählt werden. Beispielsweise kann auf bei optischen Beschichtungen gebräuchliche Oxide oder Nitride der Metalle Ti, AI, Si, Ta, Nb, Mg und dergleichen zu- rückgegriffen werden. Ebenso ist die Verwendung von transparenten und leitfähigen Oxiden möglich.
Eine Dicke der Schicht liegt beispielsweise in einem Bereich von einigen nm bis einigen μm. Insbesondere kann eine Schicht bzw. ein Schichtsystem eine Dicke von einigen 10 μm aufweisen. Das Mischungsprofil kann durch die Anteile des ersten Materials und des zweiten Materials als Funktion der Schichtdicke festgelegt werden. Die Anteile können beispielsweise als Volumenanteile angegeben werden. Alternativ können die Anteile insbesondere als Gewichtsanteile angegeben werden.
Das Mischungsprofil zeigt vorzugsweise einen stetigen, streng kontinuierlichen, Verlauf mit der Schichtdicke. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass das Mischungsprofil lediglich annähernd kontinuierlich mit der Schichtdicke variiert. Beispielsweise kann das Mischungsprofil treppenförmig variieren, wobei jedoch keine Grenzschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Material vorliegt. Vielmehr weist das Mischungsprofil insbesonde- re für jede Schichtdicke eine Mischung von erstem und zweitem Material auf, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Material liegt. Ein lediglich annähernd kontinuierliches Mischungsprofil kann beispielsweise durch einen Beschichtungsprozess technisch bedingt oder aus ökonomischen Gründen zweckmäßig sein.
Der Bereich des variierenden Mischungsprofils kann sich in einer Ausgestaltung lediglich über einen Teilbereich des Schichtsystems erstrecken. Insbesondere kann ein Mischungsverhältnis in einem unter- oder oberhalb des Bereichs des Mischungsprofils anschließenden Bereich konstant ausgestaltet sein. Beispielsweise schließen sich beiderseitig konstante Mischungsbereiche an.
Das Schichtsystem kann in dem thermisch belastbaren Element angeordnet sein. Bei- spielsweise ist das Schichtsystem in das thermisch belastbare Element eingebettet. Zum Beispiel kann es zwischen zwei Kondensatorelektroden angeordnet sein.
Gemäß einer Variante ist das Schichtsystem auf dem thermisch belastbaren Element angeordnet. Insbesondere ist das Schichtsystem als eine Oberfläche des thermisch belastbaren Elementes vorgesehen.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Schicht eine geringere Kristallisierbarkeit im Vergleich zu einer Schicht von etwa gleicher Dicke mit diskret aufeinanderfolgenden Teilschichten aus dem ersten und dem zweiten Material auf. Als Schicht etwa gleicher Dicke ist beispielsweise ein konventioneller Schichtaufbau zugrunde zu legen, welcher bei einem optischen Schichtsystem insbesondere eine alternierende Abfolge hoch- bzw. nied- rigbrechender λ/4-Schichten ist. Vorzugsweise ist bei einem optischen Schichtsystem ein Schichtsystem als Vergleich heranzuziehen, welches eine zumindest in etwa gleiche optische Funktionalität liefert. Zum Beispiel sind jeweils in etwa gleich dicke Entspiegelungs- Schichtsysteme für einen identischen Entspiegelungswellenlängenbereich zu betrachten. Die Temperaturerhöhung ist insbesondere auf einen Referenzwert bei Raumtemperatur bezogen. Vorzugsweise ist eine Temperaturerhöhung auf wenigstens 4000C, weiter bevorzugt auf wenigstens 600°C sowie besonders bevorzugt auf wenigstens 8000C zugrunde zu legen.
Als Kristallisierbarkeit ist insbesondere die Möglichkeit zu verstehen, innerhalb der Schicht einen Übergang des Schichtmaterials aus einem im wesentlichen amorphen Zustand in einen kristallinen Zustand, beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung, zu erzeugen. Insbesondere bilden sich gewöhnlich, beispielsweise bei amorphen Metalloxidschichten, mit zunehmender Temperatur kleine Kristallite. Diese wachsen insbesondere mit der Temperatur an.
Als Maß für eine Kristallinität der Schicht kann beispielsweise eine optische Streuung herangezogen werden. Insbesondere kann der sogenannte Haze bei einer Lichtwellenlänge λ betrachtet werden. Der Haze stellt die in Transmission bei einem Einfallswinkel von 0° diffus von der Probe in Vorwärtsrichtung, d.h. in Transmissionsrichtung, gestreute Lichtin- tensität dar, wobei der Haze auf die Intensität der gesamten transmittierten Intensität normiert ist, welche sowohl den diffusen als auch den gerichteten Anteil umfasst:
Haze(λ) = Tώffm (λ) = T"φ5 (λ)
TtotaM) Tώffiιs(λ) + Tλ(λ)
Für eine Messung des Haze wird insbesondere eine Ulbrichtkugel in Verbindung mit einem Spektralphotometer verwendet. Vorzugsweise wird der Haze in einem Wellenlängenbereich betrachtet. Als Maß für eine Streutätigkeit wird vorzugsweise eine Fläche unter den Spektren im für einen betrachteten Filter relevanten Wellenlängenbereich des Lichts gewertet und im folgenden als „integraler Haze-Wert" („iHaze") bezeichnet.
iHaze = \Haze{λ)dλ
Die Wellenlänge ist bei der Integration gemäß der vorstehenden Vorschrift zur Berechnung von iHaze vorzugsweise in Zahlenwerten entsprechend einer Angabe in nm dimen- sionslos zugrundezulegen. Eine hohe Temperaturstabilität einer Probe macht sich insbesondere in einer auch nach dem Tempern äußerst geringen Streutätigkeit bemerkbar.
In einer Variante ist vorgesehen, dass das Schichtsystem zumindest in einem Temperaturbereich von 4000C bis 8000C einen im Vergleich zu einer Schicht von etwa gleicher Dicke mit diskret aufeinanderfolgenden Teilschichten aus dem ersten und dem zweiten Material eine um wenigstens 20% geringere Erhöhung des Haze-Wertes bezogen auf einen jeweiligen Haze-Wert bei Raumtempertur aufweist.
In einer weiteren Variante weist das Schichtsystem zumindest in einem Temperaturbe- reich von 4000C bis 8000C einen im Vergleich zu einer Schicht von etwa gleicher Dicke mit diskret aufeinanderfolgenden Teilschichten aus dem ersten und dem zweiten Material eine um wenigstens 50% geringere Erhöhung des Haze-Wertes bezogen auf einen jeweiligen Haze-Wert bei Raumtemperatur auf.
Der Haze-Wert ist gemäß einer Ausgestaltung dabei in einem Spektralbereich von 380nm bis 1500 nm als integraler Wert ermittelt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Ha- zewert für eine oder mehrere einzelne Wellenlängen zu betrachten. Insbesondere kann der Haze-Wert in einem oder mehreren Spektralbereichen herangezogen werden. Dabei wird insbesondere ein für die Funktionalität des Schichtsystems relevanter Spektralbereich herangezogen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Schichtsystem bei einer Temperatur von 7000C einen in einem Spektralbereich von 380 nm bis 1500 nm integrierten Haze-Wert von höchstens 120 aufweist. Die Wellenlänge ist bei der Integration gemäß der vorstehenden Vorschrift zur Berechnung von iHaze in nm zugrundezulegen. Beispielsweise kann ein Infrarot-Reflexionsfilter, welcher ein periodisch alternierendes Brechungsin- dexprofil aufweist, vorgesehen sein. Eine Schichtdicke beträgt dabei beispielsweise etwa 5 μm.
Gemäß einer Weiterbildung weist in zumindest einem Lichtspektralbereich das erste Material einen ersten Brechungsindex sowie das zweite Material einen zweiten, vom ersten verschiedenen, Brechungsindex auf, wobei die Schicht des weiteren ein mit der Schicht- dicke variierendes kontinuierliches Brechungsindexprofil aufweist. Insbesondere ist das Brechungsindexprofil eine Funktion des Mischungsprofils. Beispielsweise kann das Brechungsindexprofil mittels einer Betrachtung als effektives Medium aus dem Mischungsprofil berechnet werden. Entsprechend kann beispielsweise aus einem vorgegebenen Brechungsindexverlauf ein Mischungsprofilverlauf ermittelt werden. Der Brechungsindex ist dabei als komplexer Brechungsindex zu verstehen. Bei vernachlässigbarer Absorption der Schicht kann vorzugsweise ein reeller Brechungsindex verwendet werden.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Schichtsystem Bestandteil eines Dünnschicht-Interferenzfilters ist. Beispielsweise ist das Schichtsystem in weitere Schichten eines Dünnschicht-Interferenzfilters eingebettet. Dazu kann das Schichtsystem ein oder beidseitig von zumindest einem konventionellen Interferenzschichtstapel umgeben sein. Vorzugsweise ist das Schichtsystem durch den Dünnschichtfilter gebildet. Dergleichen kann ein konventionelles Schichtsystem beidseitig von jeweils einer Schicht mit einem kontinuierlichen Brechungsindexverlauf eingebettet sein.
Als Substrat können, insbesondere für optische Schichtsysteme, verschiedene Materialien vorgesehen sein. In einer ersten Variante weist das Schichtsystem ein Substrat aus der Gruppe umfassend Quarz, Floatglas und AI2O3 auf. Ein derartiges Substrat wird vorzugsweise bei einem optischen Schichtsystem für den für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich, welcher sich etwa zwischen 380 nm und 750 nm erstreckt, und/oder den nahen infraroten Spektralbereich, welcher sich etwa von 750 nm bis 1500 nm erstreckt, ausgewählt.
In einer weiteren Variante weist das Schichtsystem ein Substrat aus der Gruppe umfassend Silizium und Germanium auf. Ein derartiges Material wird insbesondere bei einem optischen Schichtsystem für einen infraroten Spektralbereich bei Wellenlängen oberhalb von 1500 nm ausgewählt.
Für das Mischungsprofil können verschiedene Verläufe vorgesehen sein. In einer ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Mischungsprofil ein periodisches Profil umfasst. Insbesondere weist das Mischungsprofil einen stetig differenzierbaren Verlauf mit der Schichtdicke auf. Vorzugsweise weist der Verlauf eine Reihe von Minima und Maxima auf.
In einer weiteren Ausgestaltung des periodischen Profils ist eine Apodisierung des periodischen Profils vorgesehen. Insbesondere umfasst die Schicht wenigstens einen Rugate- filter.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Schicht eine Gradientenschicht. Beispielsweise kann ein kontinuierlicher Anstieg des Mischungsprofils ausgehend von einem Sub- strat vorgesehen sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Schichtsystem ein optisches Filter aus der Gruppe umfassend Kantenfilter, Bandpassfilter, Antireflexschicht und Verspiege- lung aufweist, vorzugsweise daraus besteht. Zum Beispiel kann eine einzelne Schicht mit einem kontinuierlichen Brechungsindexverlauf auf einem Substrat als optisches Filter vor- gesehen sein. Das Schichtsystem kann in einer Variante auch ein optisches Filter und eine weitere Funktionsschicht, insbesondere eine Kratzschutzschicht, umfassen. In einer Variante kann wenigstens eine Schicht mit einem kontinuierlichen Brechungsindexverlauf ein oder beidseitig von wenigstens einem konventionellen Interferenzschichtstapel umge- ben sein. Insbesondere kann ein Schichtsystem vorgesehen sein, welches alternierend sowohl eine oder mehrere Schichten mit einem kontinuierlichen Brechungsindexverlauf als auch eine oder mehrere konventionelle Interferenzschichtstapel aufweist. Dergleichen kann ein konventionelles Schichtsystem beidseitig von jeweils einer Schicht mit einem kontinuierlichen Brechungsindexverlauf eingebettet sein.
Als erstes und/oder zweites Material können, insbesondere für ein optisches Schichtsystem, verschiedene Materialien vorgesehen sein. Vorzugsweise für eine Anwendung des Schichtsystems im sichtbaren oder nahen infraroten Spektralbereich sind das erste und/oder das zweite Material aus der Gruppe umfassend SiO2, MgF, AI2O3, TiO2, Si3N4, Ta2O5, Nb2O5, HfO, SnO3, ZnO, Bi2O3, ZrO2 und ZrO2:Y gewählt. Insbesondere wird das erste Material aus der Gruppe umfassend SiO2, MgF, AI2O3 gewählt. Das zweite Material wird vorzugsweise aus der Gruppe umfassend TiO2, Si3N4, Ta2O5, Nb2O5, HfO, SnO3, ZnO, Bi2O3, ZrO2 und ZrO2:Y gewählt.
In einer Variante sind das erste und/oder das zweite Material, insbesondere für eine An- wendung im infraroten oder fernen infraroten Spektralbereich aus der Gruppe umfassend SiO2, Si und Ge gewählt. Vorzugsweise wird als erstes Material SiO2 und als zweites Material Si oder Ge gewählt.
Gemäß einer weiteren Variante sind das erste Material oxidisch und das zweite Material nichtoxidisch gewählt. Beispielsweise ist das zweite Material ein Oxid des ersten Materi- als. Entsprechend kann beispielsweise das zweite Material ein Nitrid des ersten Materials sein.
In einer Ausgestaltung eines optischen Schichtsystems ist vorgesehen, dass die Schicht einen Rugatefilter umfasst, welcher als erstes Material SiO2 und als zweites Material Ta2O5 aufweist. Insbesondere kann damit das Brechungsindexprofil etwa zwischen 1 ,46 und 2,2 eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Schicht einen Rugatefilter, welcher als erstes Material SiO2 und als zweites Material Nb2O5 aufweist. Insbesondere kann damit das Brechungsindexprofil etwa zwischen 1 ,46 und 2,4 eingestellt werden.
In einer anderen Ausgestaltung umfasst die Schicht einen Rugatefilter, welcher als erstes Material SiO2 und als zweites Material Tantalzirkonoxid aufweist. Insbesondere kann damit das Brechungsindexprofil etwa zwischen 1 ,46 und 2,3 eingestellt werden. Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Schichtsystem eine geringere Winkelabhängigkeit der Reflexion und/oder Transmission aufweist im Vergleich zu einer Schicht von etwa gleicher Dicke mit diskret aufeinanderfolgenden Teilschichten aus dem ersten und dem zweiten Material. Vorzugsweise kann eine Funktionalität eines optischen Filters dadurch verbessert werden. Zum Beispiel kann ein Wirkungsgrad eines Solarabsorbersytems verbessert werden.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorbeschriebenen Ausgestaltungen kann gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Schicht eine Diffusionsbarriere darstellt. Vorzugsweise weist die Diffusionsbarriere eine erhöhte thermische Stabilität im Vergleich zu einer konventionellen Schicht auf. Vorteilhafterweise wird eine Diffusion über Komgren- zen, welche bei einer Kristallisation entstehen, infolge verminderter Kristallisierbarkeit bei einer Temperaturerhöhung vermindert.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist das Schichtsystem als Isolatorschicht in einem Kondensator vorgesehen ist. Vorzugsweise ermöglicht eine geringere Kristallisierbarkeit eine verringerte Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Funktion der Isolatorschicht. Insbesondere wird damit eine verbesserte Temperaturstabilität eines elektrischen Schaltkreises ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Schichtsystem in oder/und an einem Halbleiterbauelement vorgesehen. Beispielsweise kann eine Isolatorschicht temperaturbeständiger ausgestaltet werden. Beispielsweise kann das Schichtsystem als Gateelektrode, in einem Speicherelement, in einem Varistor, in einem Transistor oder dergleichen vorgesehen sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist das thermisch belastbare Element nach wenigstens einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen ein thermisch beanspruchtes Leuchtmittel. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Projektorlampe. Vorzugsweise kann eine Projektorlampe im Vergleich zu einer Projektorlampe mit einer konventionellen Beschichtung weiter verkleinert werden. Insbesondere kann ein Wirkungsgrad eines Abbildungssyste- mes in einem Projektor verbessert werden. Vorzugsweise wird eine Abbildung von Streulicht auf eine Projektorapertur vermindert.
In einer anderen Weiterbildung ist das thermisch belastbare Element nach wenigstens einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen ein Solarkollektor. Vorzugsweise kann das Schichtsystem zur Erhöhung eines Wirkungsgrades eingesetzt werden. Dazu wird beispielsweise ein Infrarotreflektor mit einer steilen Kante bei 3.5 μm zur Optimierung des Verhältnisses von eingekoppelter Solarstralung und reflektierter Absorberstrahlung vorge- sehen. Daneben wird vorzugsweise neben einer hohen Temperaturbeständigkeit eine möglichst geringe Winkelabhängigkeit der Funktion des Schichtsystems unter vorzugsweise nahezu allen Winkeln zwischen 0° und 90° ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das thermisch belastbare Element nach wenigstens einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen ein thermisch vorspannbares Glas. Insbesondere ist das Schichtsystem als ein vor einem Temperschritt aufgebrachtes Schichtsystem auf thermisch vorgespanntem Glas vorgesehen. Vorzugsweise erleidet ein vor einem Tempervorgang aufgebrachte optische Funktionsbeschichtung bei einem Tempervorgang keine oder zumindest nur eine geringe Beeinträchtigung der optischen Qualität, insbeson- dere hinsichtlich optischer Streueigenschaften.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil, insbesondere ein optisches Bauteil, umfassend wenigstens ein Schichtsystem gemäß wenigstens einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen. Ein Bauteil ist beispielsweise eine optische Linse, ein Sichtfenster, eine transparente leitfähige Elektrode oder dergleichen. Des weiteren kann als Bauteil beispielsweise ein Kondensator oder ein Halbleiterbauelement vorgesehen sein. Insbesondere ist als Bauteil ein Solarabsorber, ein Lampenkörper, eine Fensterscheibe oder dergleichen vorgesehen.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems eines thermisch belastbaren Elementes nach wenigstens einer der vorbeschriebenen Ausges- taltungen, wobei auf einem Substrat zumindest eine Schicht mit wenigstens einem ersten und wenigstens einem davon verschiedenen zweiten Material abgeschieden wird, wobei ein mit einer Schichtdicke zumindest annähernd kontinuierlich variierendes Mischungsprofil des ersten und des zweiten Materials eingestellt wird.
Insbesondere weist das Schichtsystem bei einer Temperaturerhöhung eine geringere Kristallisierbarkeit als ein in etwa gleich dickes konventionelles Schichtsystem auf.
Für ein Beschichtungsverfahren ist gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen, dass das erste und das zweite Material mittels eines Vakuum-Beschichtungsverfahrens abgeschieden werden. Dazu wird beispielsweise eine physikalische Gasphasenabscheidung, PVD, eine chemische Gasphasenabscheidung, CVD, oder eine physikalisch aktivierte chemi- sehe Gasphasenabscheidung verwendet. Als PVD-Prozesse werden beispielsweise
Gleichstrom-, Radiofrequenz- oder Mittelfrequenz-Sputterprozesse verwendet. Des weiteren kann ein thermisches oder elektronenstrahlgeführtes Aufdampfverfahren angewendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein ionengestützter Prozess beispielsweise mittels wenigstens einer lonenquelle verwendet werden. Insbesondere kann ein lonenstrahlsput- terprozess verwendet werden. Eine Depositionstemperatur liegt vorzugsweise unterhalb von 1000C.
Gemäß einer Weiterbildung werden das erste und das zweite Material mittels eines Co- Sputterprozesses abgeschieden. Eine Deposition erfolgt dabei beispielsweise unter Ver- wendung von Sputtertargets aus jeweils dem ersten bzw. dem zweiten Material. Zum Beispiel bei einer Wahl von TiO2 als erstes Material und SiO2 als zweites Material wird ein Sputtertarget aus TiO2 und eines aus SiO2 verwendet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, das erste und/oder das zweite Material in einer Reaktivgasatmosphäre von jeweils einem metallischen Target zu sputtern. Eine Bildung des ersten bzw. des zweiten Materi- als erfolgt in diesem Fall insbesondere auf der Schicht. Als Sputtergas wird bei einem Magnetron-Sputterprozess beispielsweise Ar bei einem Druck von etwa 1 ,3 x 10"3 mbar verwendet. Als Reaktivgas wird beispielsweise Sauerstoff verwendet. Zum Beispiel bei einer Wahl von TiO2 als erstes Material und SiO2 als zweites Material wird in einem reaktiven Prozess ein Sputtertarget aus Ti und eines aus Si verwendet.
In einer anderen Ausgestaltung werden das erste und das zweite Material mittels eines Co-Verdampfungsprozesses abgeschieden. Insbesondere wird jeweils ein thermischer oder ein elektronenstrahlgeführter Aufdampfprozess gewählt. Es kann auch vorgesehen sein, ein Material mittels Elektronenstrahl und das zweite Material thermisch zu verdampfen.
In einer Weiterbildung wird das Schichtsystem auf einem Glassubstrat abgeschieden und in einem weiteren Schritt das Glassubstrat thermisch vorgespannt. Vorzugsweise erleidet die optische Funktionsbeschichtung im zweiten Schritt keine oder zumindest nur eine geringe Beeinträchtigung der optischen Qualität, insbesondere hinsichtlich optischer Streueigenschaften.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft im einzelnen erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dort dargestellten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr können jeweils in der Zeichnung sowie in der Beschreibung einschließlich der Figurenbeschreibung enthaltene Merkmale zu Weiterbildungen miteinander kombiniert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 : ein kontinuierliches Brechungsindexprofil eines ersten Schichtsystems;
Fig. 2: einen Reflexionsverlauf des ersten Schichtsystems; Fig. 3: ein diskretes Brechungsindexprofil eines zweiten Schichtsystems gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4: einen Reflexionsverlauf des zweiten Schichtsystems;
Fig. 5: ein kontinuierliches Brechungsindexprofil eines dritten Schichtsystems;
Fig. 6: einen Reflexionsverlauf des dritten Schichtsystems;
Fig. 7: eine Abhängigkeit eines integralen Haze-Wertes der drei Schichtsysteme von der Temperatur;
Fig. 8: Röntgenspektren der drei Schichtsysteme nach einem Temperschritt bei 700°;
Fig. 9: Röntgenspektren der drei Schichtsysteme nach einem Temperschritt bei 750°;
Fig. 10: Röntgenspektren der drei Schichtsysteme nach einem Temperschritt bei 775°;
Fig. 11 eine Winkelabhängigkeit der substratseitigen Reflexion eines vierten Schichtsystems;
Fig. 12 eine Winkelabhängigkeit der schichtseitigen Reflexion des vierten Schichtsystems;
Fig. 13 eine Winkelabhängigkeit der substratseitigen Absorption des vierten Schichtsystems;
Fig. 14 eine Winkelabhängigkeit der schichtseitigen Absorption des vierten Schichtsystems;
Fig. 15 eine Winkelabhängigkeit der substratseitigen Transmission des vierten Schicht- Systems; und
Fig. 16 eine Winkelabhängigkeit der schichtseitigen Transmission des vierten Schichtsystems.
Fig. 1 zeigt ein kontinuierliches Brechungsindexprofil 1 eines ersten Schichtsystems. Aufgetragen ist auf der Abszisse die Schichtdicke. Auf der Ordinate ist der Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 572 nm aufgetragen. Eine Absorption ist vernachlässigbar, weshalb der Brechungsindex reell ist. Schematisch dargestellt ist das Substrat 2, welches bei Schichtdicken unterhalb von 0 nm auf der Achse angeordnet ist, sowie die Schicht 3 , welche ein kontinuierliches Brechungsindexprofil aufweist und sich bis etwa 4 μm er- streckt. Daran schließt sich als Austrittsmedium ein schematisch dargestellter Halbraum 4 "Luft" an. Als Schichtdesign wurde eine Verspiegelung bei einer Wellenlänge von 1064 nm ausgewählt. Dargestellt ist das Brechungsindexprofil vor einem Temperschritt.
Dieses erste Schichtsystem wurde ausgehend von Basismaterialien SiO2 als erstes Mate- rial und Ta2O5 als zweites Material in einer RF-Magnetron-Sputteranlage abgeschieden. In Verbindung mit der als RF-Anregung bezeichneten Radiofrequenz-Anregung kamen keramische Sputtertargets aus SiO2 bzw. Ta2O5 zum Einsatz. Die Schichtdeposition erfolgte mit einer konstanten Gesamtleistung von 800 W und variierbaren Leistungsanteilen auf den Kathoden bzw. Sputtertargets in einer Ar/O2-Athmosphäre bei etwa 1.5 x 10'3 mbar. Je nach gewünschtem Mischungsprofil aus erstem und zweitem Material wurden die Leistungsanteile variiert. Eine Kathode wurde dabei jedoch nie vollständig abgeschaltet, sondern während des Beschichtungsprozesses zumindest mit einer Mindestleistung von 100 W betrieben. Eine extremale Leistungsaufteilung auf die beiden Kathoden entsprach daher einem Verhältnis von 100 W zu 700 W. Dementsprechend weist das Mi- schungsprofil keine Punkte mit einer reinen Zusammensetzung des ersten oder des zweiten Materials auf. Insbesondere enthält die Schicht für jede Schichtdicke stets zumindest geringe Anteile des ersten und zumindest geringe Anteile des zweiten Materials. Vorzugsweise führen bereits geringe Anteile des ersten bzw. zweiten Materials in einer Mischung der Materialien zu einer Hemmung einer Auskristallisation.
Mit dem beschriebenen apparativen Aufbau ist es möglich, einen Materialanteil des jeweiligen ersten bzw. zweiten Materials in der Schicht durch Leistungsvariation zu bestimmen und insbesondere durch zeitliche Variation ein kontinuierliches Brechungsindexprofil zu erreichen.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, das erste und das zweite Material reaktiv von metallischen Targets zu sputtern. Dazu können beispielsweise ein Si-Target und ein Tantaltarget in einer reaktiven Argon-Sauerstoff-Atmosphäre zerstäubt werden. Insbesondere wird dabei eine Kopplung der beiden parallel laufenden Prozesse über den Sauerstoffpartialdruck anhand einer Regelung berücksichtigt.
Des weiteren kann vorgesehen sein, das erste Material und das zweite Material in einem Co-Verdampfungsprozess abzuscheiden. Dabei kann jeweils ein thermischer oder ein elektronenstrahlgeführter Aufdampfprozess gewählt werden. Insbesondere kann ein Material mittels Elektronenstrahl und das zweite Material thermisch verdampft werden.
Als Brechungsindexverlauf des ersten Schichtsystems wurde ein periodischer Rugate- Filter vorgegeben. Der Brechungsindexverlauf weist dabei eine Sinusmodulation mit einer Apodisierung auf. Als Apodisierung wurde ein Verlauf gemäß einer Funktion exp(-x4) gewählt.
Im folgenden werden gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 2 zeigt den zugehörigen Reflexionsverlauf des ersten Schichtsystems bei senkrechter Inzidenz. Auf der Abszisse ist die Wellenlänge in nm und auf der Ordinate die Reflexion bei senkrechter Inzidenz aufgetragen. Die Reflexion zeigt einen schmalbandigen Bereich 5 nahezu vollständiger Reflexion im Bereich um die Verspiegelungswellenlänge von 1064 nm herum.
Fig. 3 zeigt ein diskretes Brechungsindexprofil eines zweiten Schichtsystems gemäß dem Stand der Technik. Dargestellt ist das Brechungsindexprofil bei einer Wellenlänge von 572 nm vor einem Temperschritt. Eine Absorption ist vernachlässigbar, weshalb der Brechungsindex reell ist. Das zweite Schichtsystem wurde als Vergleich zum ersten Schichtsystem hergestellt, wobei darauf geachtet wurde, dass das erste Schichtsystem und das zweite Schichtsystem eine annähernd gleiche Dicke aufweisen. Als Schichtdesign wurde eine Verspiegelung bei einer Wellenlänge von 1064 nm mit einem konventionellen λ/4- Stapel ausgewählt.
Fig. 4 zeigt den zugehörigen Reflexionsverlauf des zweiten Schichtsystems. Auf der Abszisse ist wiederum die Wellenlänge in nm und auf der Ordinate die Reflexion bei senk- rechter Inzidenz aufgetragen. Die Reflexion zeigt einen schmalbandigen Bereich 5 nahezu vollständiger Reflexion im Bereich um die Verspiegelungswellenlänge von 1064 nm herum. Im Unterschied zu dem in Fig. 2 gezeigten Reflexionsverlauf des ersten Schichtsystems sind deutlich stärker ausgeprägte Nebenmaxima 6 zu erkennen. Des weiteren weist der Reflexionsverlauf eine größere Halbwertsbreite 7 auf.
Fig. 5 zeigt ein kontinuierliches Brechungsindexprofil eines dritten Schichtsystems bei einer Wellenlänge von 559 nm. Der Brechungsindex ist wiederum aufgrund der vernachlässigbaren Absorption reell. Dieses weist ein Schichtdesign auf, welches im Hinblick auf eine Anwendung als Kantenfilter ausgestaltet ist. Dabei handelt es sich um ein Schichtsystem für Blinklichtverglasungen mit der Zielsetzung, eine steile Kante 8 bei etwa 550 nm bereitzustellen. Das dritte Schichtsystem wurde ebenfalls wie das erste und das zweite Schichtsystem mit SiO2 als erstem Material und Ta2O5 als zweitem Material deponiert. Das Schichtsystem besteht aus einer Schicht mit einem kontinuierlich variierendem Brechungsindexprofil, welche auf einem Substrat aufgebracht ist. Dies ist schematisch in der Abbildung dargestellt. Aufgetragen ist auf der Abszisse die Schichtdicke. Auf der Ordinate ist der Brechungsindex aufgetragen. Das Substrat ist bei Schichtdicken unterhalb von O nm auf der Achse angeordnet, wobei die Schicht, welche ein kontinuierliches Brechungsindexprofil aufweist, sich bis etwa 5 μm erstreckt. Daran schließt sich als Austrittsmedium ein schematisch dargestellter Halbraum "Luft" an.
Dargestellt ist das Brechungsindexprofil vor einem Temperschritt. Das Brechungsindexprofil ist ein periodisch variierendes Profil, welches zwischen einem Brechungsindex von 1 ,54 und 2,14 oszilliert.
Fig. 6 zeigt einen zugehörigen Transmissionsverlauf des dritten Schichtsystems. Der Spektralverlauf weist eine scharfe Kante bei etwa 550 nm auf. Oberhalb dieser Kante 8 transmittiert das dritte Schichtsystem nahezu vollständig. Unterhalb der Kante 8 ist die Transmission nahezu auf Null reduziert. Dargestellt ist als gestrichelte Linie der gemessene Transmissionsverlauf. Die durchgezogene Kurve zeigt einen berechneten Verlauf, wobei eine Materialabsorption vernachlässigt wurde.
Fig. 7 zeigt eine Abhängigkeit eines integralen Haze-Wertes der drei Schichtsysteme von der Temperatur. Zur Begutachtung der Temperaturbeständigkeit wurden die Proben einer Temperversuchsreihe unterzogen, bei denen sie jeweils 1 Stunde sukzessive jeweils um 50 0C zunehmenden Temperaturen aussetzt wurden. Nach jedem Temperschritt wurden die Proben mittels Röntgendiffraktometrie, XRD, und gerichteter sowie integraler spektral- photometrischer Messungen von Reflexion R und Transmission T vermessen. Die spekt- ralphotometrischen Messungen erfolgten insbesondere zur Ermittlung des integralen Haze-Wertes. Als Spektralbereich wurde der Wellenlängenbereich von 380 nm bis 1500 nm verwendet. Damit erfolgte ein direkter Vergleich der optischen Eigenschaften von „Misch- oxid"-Filtern mit einem kontinuierlichen Mischungsprofil bzw. Brechungsindexprofil einerseits und konventionellen Interferenzfiltern andererseits unter einer Temperaturbelastung.
Im einzelnen wurden das erste, das zweite und das dritte Schichtsystem ausgehend von einer Temperatur von 400 0C sukzessive jeweils 1 Stunde getempert, analysiert und einem erneuten Temperschritt bei einer um 50 0C erhöhten Temperatur zugeführt. Als Referenzwert wurde jeweils ein Wert bei Raumtemperatur aufgenommen. Dargestellt ist auf der Abszisse die Temperatur und auf der Ordinate der integrale Haze-Wert. Die durchge- zogene Kurve zeigt den Verlauf für das erste Schichtsystem. Die gestrichelte Kurve mit den als Dreiecken dargestellten Messpunkten zeigt den Verlauf für das zweite Schichtsystem und die gestrichelte Kurve mit den als Quadraten dargestellten Messpunkten zeigt den Verlauf für das dritte Schichtsystem. Die Temperaturabhängigkeit des integralen Haze-Wertes zeigt deutlich, dass das erste und das dritte Schichtsystem, welche einen kontinuierlichen Mischungsprofilverlauf bzw. Brechungsindexverlauf aufweisen, einen geringeren Anstieg der Streuung mit der Temperatur aufweisen. Insbesondere zeigt sich dadurch eine reduzierte Neigung zur Ausbildung von Kristalliten, welche zu einem Anstieg des optischen Streuvermögens und des integralen Haze-Wertes führen.
Das zweite, konventionelle, Schichtsystem zeigt einen Anstieg des integralen Haze- Wertes auf maximal etwa 270 bei 775° C ausgehend von einem Wert von etwa 150 bei 0° C. Der Anstieg beträgt etwa 80%.
Das erste Schichtsystem zeigt einen Anstieg des integralen Haze-Wertes auf maximal etwa 195 bei 775° C ausgehend von einem Wert von etwa 120 bei 0° C. Der Anstieg beträgt somit etwa 63%.
Das dritte Schichtsystem zeigt einen Anstieg des integralen Haze-Wertes auf maximal etwa 120 bei 775° C ausgehend von einem Wert von etwa 100 bei 0° C. Der Anstieg be- trägt somit etwa 20%.
Es zeigt sich, dass im betrachteten Temperaturbereich bis 775° im Falle des ersten Schichtsystemes ein um etwa 21% geringerer Anstieg als im Falle des zweiten, konventionellen, Systems erreicht wird.
Für das dritte Schichtsystem zeigt sich im betrachteten Temperaturbereich ein um etwa 75% geringerer Anstieg als im Falle des zweiten, konventionellen, Systems.
Vorzugsweise weist bereits das zweite Schichtsystem, wie bereits vorstehend erwähnt, eine erhöhte Temperaturbelastbarkeit gegenüber einem gleichartigen Schichtsystem mit einer Schichtabfolge reiner Materialien auf.
Fig. 8 zeigt Röntgenspektren der drei Schichtsysteme nach einem Temperschritt bei 700°. Dargestellt ist auf der Ordinate eine Zählrohrintensität und auf der Abszisse der doppelte Einfallswinkel einer zur Messung verwendeten Röntgenstrahlung in Grad. Im dargestellten 2Θ-Scan ist kein kristalliner Anteil in den Schichtsystemen ersichtlich. Vielmehr sind diese amorph.
Fig. 9 zeigt Röntgenspektren der drei Schichtsysteme nach einem Temperschritt bei 750°. Nachdem bei 700cC noch alle Proben amorph waren, ist hier das zweite, konventionelle, Schichtsystem bereits völlig auskristallisiert. Das erste und das dritte Schichtsystem, welche jeweils einen kontinuierlichen Brechungsindexverlauf aufweisen, sind jedoch weiter- hin amorph. Zur besseren Darstellbarkeit wurde die Zählrohrintensität der Messung der zweiten Schicht durch den Faktor 8 dividiert.
Fig. 10 zeigt Röntgenspektren der drei Schichtsysteme nach einem Temperschritt bei 775°. Zur besseren Darstellbarkeit wurde die Zählrohrintensität der Messung der dritten Schicht durch den Faktor 8 dividiert. Bei einer weiteren Temperaturerhöhung auf 775°C beginnt nun auch das erste Schichtsystem, welches einen Brechungsindexverlauf gemäß einer apodisierten Sinusfunktion aufweist, auszukristallisieren. Dieser Prozess ist jedoch bei 775° C noch nicht abgeschlossen. Die Röntgenspektren zeigen, dass das erste Schichtsystem sowohl kristalline als auch noch größere amorphe Anteile aufweist, wäh- rend das zweite, konventionelle, Schichtsystem völlig auskristallisiert ist. Das dritte
Schichtsystem ist dagegen noch völlig amorph. Somit zeigt sich eine deutliche Verbesserung gegenüber dem zweiten, konventionellen, Schichtsystem.
Fig. 11 zeigt eine Winkelabhängigkeit der substratseitigen Reflexion eines vierten Schichtsystems. Dieses vierte Schichtsystem ist ein Infrarot-Reflexionsfilter beispielswei- se für Anwendungen auf Quarzfenstern von Solar-Receivern zum Schutz des Substrates vor Schwarzkörperstrahlung des Absorbers und zur Wirkungsgradsteigerung durch Ein- schluss eingekoppelter Leistung. Eine gewünschte Eigenschaft dieses Filtersystems ist eine möglichst vernachlässigbare Absorption im solaren Lichtspektralbereich in Verbindung mit einer möglichst hohen Reflexion für Absorberstrahlung. Insbesondere ist es er- wünscht, diese Funktionalität ist für einen extrem großen Winkelbereich bereitzustellen. Dargestellt sind berechnete Reflexionsspektren für verschiedene Winkel von 0° bis 90°, wobei der Winkel jeweils in 10°-Schritten variiert ist. Die Reflexionsmessungen erfolgten jeweils durch das Substrat hindurch. Als Substrat wurde ein Quarzglas verwendet. Dabei handelte es sich um ein 5 mm dickes Substrat vom Typ GE 214. Es zeigt sich eine zu- nehmende Reflexion im Wellenlängenbereich zwischen 4000 μm und 8000 μm mit zunehmenden Winkel.
Fig. 12 zeigt eine Winkelabhängigkeit der schichtseitigen Reflexion des vierten Schichtsystems. Dargestellt sind berechnete Reflexionsspektren für verschiedene Winkel von 0° bis 90°, wobei der Winkel jeweils in 10°-Schritten variiert ist. Die Berechnung ist jeweils für Reflexion von der Schichtseite angegeben. Es zeigt sich wiederum eine zunehmende Reflexion im Wellenlängenbereich zwischen 4000 μm und 8000 μm mit zunehmenden Winkel.
Fig. 13 zeigt eine Winkelabhängigkeit der substratseitigen Absorption des vierten Schichtsystems. Dargestellt sind berechneten Absorptionsspektren für verschiedene Winkel von 0° bis 90°, wobei der Winkel jeweils in 10°-Schritten variiert ist. Die Berechnung der Absorption erfolgte jeweils unter Berücksichtigung eines Lichteinfalls von der Substratseite. Es zeigt sich eine abnehmende Absorption im Wellenlängenbereich zwischen 4000 μm und 8000 μm mit zunehmenden Winkel.
Fig. 14 zeigt eine Winkelabhängigkeit der schichtseitigen Absorption des vierten Schichtsystems. Dargestellt sind berechnete Absorptionsspektren für verschiedene Winkel von 0° bis 90°, wobei der Winkel jeweils in 10°-Schritten variiert ist. Die Berechung der Absorption erfolgte jeweils unter Zugrundelegung eines Lichteinfalls von der Schichtseite. Es zeigt sich wiederum eine abnehmende Absorption im Wellenlängenbereich zwischen 4000 μm und 8000 μm mit zunehmenden Winkel.
In Fig. 15 ist eine Winkelabhängigkeit der substratseitigen Transmission des vierten Schichtsystems dargestellt. Im einzelnen sind berechnete Transmissionsspektren für verschiedene Winkel von 0° bis 90° dargestellt, wobei der Winkel jeweils in 10°-Schritten variiert ist. Die Transmissionsmessungen erfolgten jeweils Zugrundelegung eines Licht- einfalls von der Substratseite. Es zeigt sich eine abnehmende Transmission im sichtbaren Spektralbereich mit zunehmenden Winkel.
Fig. 16 zeigt schließlich eine Winkelabhängigkeit der schichtseitigen Transmission des vierten Schichtsystems. Im einzelnen sind wiederum berechnete Transmissionsspektren für verschiedene Winkel von 0° bis 90° dargestellt, wobei der Winkel jeweils in 10°- Schritten variiert ist. Die Berechung erfolgte jeweils unter Berücksichtigung eines Lichteinfalls von der Substratseite. Erwartungsgemäß entsprechen die Spektren aufgrund der optischen Reziprozität den in Figur 14 gezeigten Spektren, welche für eine Transmission von der Schichtseite berechnet wurden.

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem eines thermisch belastbaren, insbesondere eines thermisch belasteten Elementes mit zumindest einer Schicht, welche wenigstens ein erstes und wenigstens ein zweites Material aufweist und welche ein mit einer Schichtdicke zumindest annähernd kontinuierlich variierendes Mischungsprofil ohne Ausbildung einer Grenzschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Material aufweist.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem auf dem thermisch belasteten Element angeordnet ist.
3. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine geringere Kristallisierbarkeit im Vergleich zu einer Schicht von etwa gleicher
Dicke mit diskret aufeinanderfolgenden Teilschichten aus dem ersten und dem zweiten Material aufweist.
4. Schichtsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem zumindest in einem Temperaturbereich von 4000C bis 8000C einen im Vergleich zu einer Schicht von etwa gleicher Dicke mit diskret aufeinanderfolgenden Teilschichten aus dem ersten und dem zweiten Material eine um wenigstens 20% geringere Erhöhung des Haze-Wertes bezogen auf einen jeweiligen Haze-Wert bei Raumtempertur aufweist.
5. Schichtsystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schicht- system zumindest in einem Temperaturbereich von 400°C bis 8000C einen im
Vergleich zu einer Schicht von etwa gleicher Dicke mit diskret aufeinanderfolgenden Teilschichten aus dem ersten und dem zweiten Material eine um wenigstens 50% geringere Erhöhung des Haze-Wertes bezogen auf einen jeweiligen Haze-Wert bei Raumtemperatur aufweist.
6. Schichtsystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Haze-
Wert in einem Spektralbereich von 380nm bis 1500 nm als integraler Wert ermittelt ist.
7. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem bei einer Temperatur von 7000C einen in einem Spektralbereich von 380 nm bis 1500 nm integrierten Haze-Wert von höchstens
120 aufweist.
8. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Lichtspektralbereich das erste Material einen ersten Brechungsindex sowie das zweite Material einen zweiten, vom ersten verschiedenen, Brechungsindex aufweist und die Schicht ein mit der Schichtdicke va- riierendes kontinuierliches Brechungsindexprofil aufweist.
9. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Bestandteil eines Dünnschicht-Interferenzfilters ist.
10. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Substrat aus der Gruppe umfassend Quarz, Floatglas und AI2O3 aufweist.
11. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Substrat aus der Gruppe umfassend Silizium und Germanium aufweist.
12. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Mischungsprofil ein periodisches Profil umfasst.
13. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Apodisierung des periodischen Profils vorgesehen ist.
14. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht wenigstens einen Rugatefilter umfasst.
15. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine Gradientenschicht ist.
16. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem einen optischen Filter aus der Gruppe umfassend Kantenfilter, Bandpassfilter, Antireflexschicht und Verspiegelung aufweist, vorzugsweise daraus besteht.
17. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Material aus der Gruppe umfassend Metalloxid, Metallfluorid und Metallnitrid, wobei das Metall insbesondere aus der Gruppe der Übergangsmetalle gewählt ist.
18. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Material aus der Gruppe umfassend SiO2, Si und Ge gewählt sind.
19. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das erste Material oxidisch und das zweite Material nichtoxidisch ist.
20. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht einen Rugatefilter umfasst, welcher als erstes Material SiO2 und als zweites Material Ta2O5 aufweist.
21. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht einen Rugatefilter umfasst, welcher als erstes Material SiO2 und als zweites Material Nn2O5 aufweist.
22. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht einen Rugatefilter umfasst, welcher als erstes Material SiO2 und als zweites Material Tantalzirkonoxid aufweist.
23. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine geringere Winkelabhängigkeit der Reflexion und/oder Transmission aufweist im Vergleich zu einer Schicht von etwa gleicher Dicke mit diskret aufeinanderfolgenden Teilschichten aus dem ersten und dem zweiten Ma- terial.
24. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine Diffusionsbarriere darstellt.
25. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Isolatorschicht in einem Kondensator vorgesehen ist.
26. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in oder/und an einem Halbleiterbauelement vorgesehen ist.
27. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch belastete Element ein thermisch beanspruchtes Leuchtmittel ist.
28. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch belastete Element ein Solarkollektor ist.
29. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch belastete Element ein thermisch vorspannbares Glas ist.
30. Bauteil, insbesondere optisches Bauteil, umfassend wenigstens ein Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 29.
31. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems eines thermisch belastbaren, insbesondere eines thermisch belasteten Elementes, wobei auf einem Substrat zumindest eine Schicht mit wenigstens einem ersten und wenigstens einem davon verschiedenen zweiten Material abgeschieden wird, wobei ein mit einer Schichtdicke zumindest annähernd kontinuierlich variierendes Mischungsprofil des ersten und des zweiten Materials eingestellt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Material mittels eines Vakuum-Beschichtungsverfahrens abgeschieden werden.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Material mittels eines Co-Sputterprozesses abgeschieden wird.
34. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Material mittels eines Co-Verdampfungsprozesses abgeschieden wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem auf einem Glassubstrat abgeschieden wird und in einem weite- ren Schritt das Glassubstrat thermisch vorgespannt wird.
36. Anwendung eines Schichtsystems mit zumindest einer Schicht, welche wenigstens ein erstes und wenigstens ein zweites Material aufweist und welche ein mit einer Schichtdicke zumindest annähernd kontinuierlich variierendes Mischungsprofil ohne Ausbildung einer Grenzschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Material aufweist, an einem thermisch belasteten Element, wobei das Schichtsystem auf dem thermisch belasteten Element angeordnet ist, und eine thermische Belastung zwischen etwa 400cC und 1000°C vorliegt, wobei ein Mischungsverhältnis in einem unter- oder oberhalb des Mischungsprofils anschließenden Bereich konstant ist.
37. Anwendung eines Schichtsystems mit zumindest einer Schicht, welche wenigstens ein erstes und wenigstens ein zweites Material aufweist und welche ein mit einer Schichtdicke zumindest annähernd kontinuierlich variierendes Mischungsprofil oh- ne Ausbildung einer Grenzschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Material aufweist, an einem thermisch belastbaren Element, wobei das Schichtsystem in das thermisch belastbare Element eingebettet ist.
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