NL8400091A - Werkwijze voor het vervaardigen van optische elementen met interferentielagen. - Google Patents

Description

PTT-- · VO 5347

Werkwijze voor het vervaardigen van optische elementen met inter-ferentielagen.___________

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van optische elementen, in het bijzonder van filters, met inter ferentielagen uit dielektrische lagen met afwisselend hoge en lage breking op organische en anorganische substraten.

5 De vervaardiging van interferentielagen is sinds Icing bekend.

De afzonderlijke laagdikten liggen daarbij, afhankelijk van de aan het eindprodukt gestelde eis, tussen λ/4 en λ/8 van de zogenaamde refe-rentie-golflengte, voor dewelke de berekening van het systeem werd uitgevoerd. Eindprodukten zijn bij voorbeeld optische elementen uit de 10 groep gevormd door substractieve en additieve kleurscheidingsfilters, koud-lichtspiegels, warmte-reflectiefilters, filters voor het veranderen van de kleurtemperatuur, reflectors voor het veranderen van de kleurtemperatuur, dielektrische smalle-bandfilters en stralendelers.

Als substraatmaterialen worden daarbij doorzichtige of doorschijnende 15 materialen gebruikt uit de groep gevormd door glas,saffier en kunststof alsmede metalen. Als kunststof wordt bij voorkeur een materiaal gebruikt dat bekend is onder de aanduiding CR 39.

Dergelijke optische elementen moeten aan bepaalde eisen voldoen, en wel met betrekking tot hun optische eigenschappen zoals absorptie-20 vrijheid, stabiliteit van de hoekligging enz., en met betrekking tot hun mechanische-chemische eigenschappen, zoals wrijfvastheid, hecht-sterkte, kookvastheid, een bestandheid tegen temperatuur alsmede be-standheid tegen zuren enz.

Met betrekking tot de hierboven genoemde eigenschappen zijn in 25 de loop van de tijd steeds hogere eisen gesteld, zodat is afgestapt van hét gebruik van "zachte” stoffen zoals ZnS, kryoliethenz., die thermisch kunnen worden verdampt, en is overgegaan tot het gebruik van "harde" oxydelagen, zoals TiC^ en SiO^ en2., voor het verdampen van dewelke elektronenstraalkanonnen worden gebruikt.

30 De tot dusver voor interferentielaagsystemen gebruikte laag- materialen waren in het algemeen oxydoivan titaan als laag met een hoge breking en oxyden van silicium als laag met een lage breking. Het -2 opdampen werd gewoonlijk begonnen bij< 1,3 x 10 Pa en bij een sub-straattamperatuur tussen 200 en 350°C. De duur voor het bereiken van 84 0 0 OS 1 *** -2- de genoemde druk alsmede een temperatuur boven 250°C kon daarbij tot 90 minuten bedragen. Typische verdampingssnelheden lagen daarbij voor SiC^ bij ongeveer 15 A/sec en voor TiC^ bij ongeveer 3 £/sec. De opdamp-tijd voor het vervaardigen van 15 lagen voor een referentiegolflengte 5 van Xq - 400 nm kon bijgevolg gemiddeld tot 50 minuten bedragen.

Daarbij kwam vanwege de sterk verhitte substraten een aanzienlijke af-koeltijd, die eveneens tot 150 minuten kon bedragen. Voor warmtege-voelige substraten, zoals substraten van kunststof, kwam het bekende laagvormingsysteem zonder meer niet in aanmerking. De kookvastheid 10 beantwoordde bij effen substraatoppervlakken aan DIN 58196, Deel 2 C 60 en bij sterk gewelfde substraten aan DIN 58196, Deel 2 C 15. Bij sterk gekromde substraten werd na een behandeling volgens DIN 58196, Deel 2 C 15 in het geheel geen hechtsterkte meer bereikt volgens MIL C 675C.

"C60" respectievelijk "C15" in de bepalingen betreffende de 15 kookvastheid volgens DIN 58196, Deel 2 betekenen, dat de bekleding bij een kookduur van 60 minuten respectievelijk 15 minuten niet van zelf is losgekomen. Aldus waren TiC^/SiC^-lagen op effen substraten ongeveer 20 uren tegen de kookproef bestand, op sterk gewelfde substraten (halve-bolvlakken) evenwel slechts gedurende ongeveer 15 minuten. Dit betekent 20 evenwel nog niet, dat de betreffende laag ook heeft voldaan aan de hechtsterkteproef volgens MIL C 675 C.

In het bijzonder toont juist de laatste beschreven hechtsterkteproef aan, dat het bekende laagsysteem op sterk gekromde substraten, zoals in het bijzonder bij optische lenzen, koud-lichtspiegels enz.

25 voorkomen, na een kookduur van slechts 15 minuten in het geheel geen hechtsterkte meer bezat.

Aan de uitvinding ligt derhalve het doel ten grondslag een werkwijze van het in de aanhef beschreven type te vinden, die op meer economische wijze kan worden uitgevoerd, die het mogelijk maakt om ook 30 bij sterk gekromde substraatoppervlakken lagen te verkrijgen die bestand zijn tegen koken en goed hechten, en die eveneens geschikt is voor het bekleden van kunststoffen.

Het gestelde doel wordt bij de in de aanhef beschreven werkwijze volgens de uitvinding hierdoor bereikt, dat als eerste laag op het sub-35 straat A^O^ als laag met een lage breking wordt aangebracht, waarop in afwisselende volgorde verdere lagen uit ZnS en Al^O^ worden aangebracht, en dat als laatste laag een laag uit A^O^ wordt aangebracht.

8400091 .-3-

Terwijl het aanbrengen van Al^O^-laag als dek- of beschermlaag, op zichzelf genomen, bekend is, is de daaronder liggende laag-combinatie nieuw en wel met inbegrip van de maatregel dat als eerste laag op het substraat een A^O^-laag wordt aangebracht. Daarbij is 5 verrassenderwijze gebleken, dat Al^O^ zeer duidelijk een uitstekend hechtmiddel is, dat ook bij extreme schuine bedamping zijn werking vervult, zoals bijvoorbeeld het geval is aan de rand van half-kogelvormige glazen kappen. De omgekeerde volgorde, namelijk als eerste laag ZnS aahbrengen, heeft in ieder geval niet geleid tot de uitstekende 10 hechtsterkte, zoals die bij de onderhavige wijze van werken wordt bereikt. De grote hechtsterkte en kookvastheid wordt zeer duidelijk bewerkstelligd door de eerste a^s hechtverbindings- middel fungeert en dikten tussen 10 en 300 nm kan hebben, zonder dat daardoor noemenswaardige wijzigingen optreden in de waarden van de 15 hechtsterkte en de kookvastheid. De overige mechanisch-chemische eigenschappen zijn in hoofdzaak afhankelijk vein de buitenste Al^O^-laag, die een dikte kan hebben welke meerdere veelvouden van de referentie-golflengte kem bedragen.

De onderhavige werkwijze is geschikt voor de vervaardiging van 20 optische elementen, die bij golflengten tussen 0,39 ym en 6 ym optisch werkzaam zijn. Op zichzelf is het bekend, dat ZnS voor optische elementen kan worden gebruikt, die optisch werkzaam zijn tussen 0,39 ym (het begin van de eigen absorptie) en 14 ym. kan worden gebruikt tussen 0,2 ym (begin van de eigen absorptie) en 7 ym.Daar Al2°3 even“ 25 wel de neiging heeft scheurtjes te vormen, is het bereik om praktische redenen beperkter. Door de toepassing van "zachte" ZnS-tussenlagen wordt thans verrassenderwijze de neiging tot het vormen van scheurtjes in die mate verminderd, dat het bereik kan worden uitgebreid tot circa 6 ym.

30 Bij het uitvoeren van de onderhavige werkwijze kan de druk bij -2 het begin van de opdamp trap boven 1,3 x 10 Pa zijn gelegen, bijvoorbeeld in het gebied tussen deze waarde en 1,05 Pa. Bovendien kan de bekledingstrap met koude substraten worden begonnen, namelijk substraten die zich op kamertemperatuur bevinden, zodat een voorverhi things tijd 35 niet nodig is. Dientengevolge wordt de tijd tot het begin van de opdam-ping verminderd tot waarden beneden 30 minuten; dit is 1/3 van de eerder in deze beschrijving genoemde waarde volgens de stand van de techniek, 3400091 *- \ -4- met dien verstande dat de gegevens van de opdampinrichting identiek zijn. Door de buitgenwoon grote mogelijke verdampingssnelheid van ZnS, die op typische wijze ongeveer 20 S/sec bedraagt tegenover ongeveer 3 S/sec voor Ti02 kan de opdamptijd voor 15 lagen worden gereduceerd tot waarden 5 beneden ongeveer 15 minuten. Dit is weerom minder dan 1/3 van de eerder in deze beschrijving genoemde tijd volgens de stand van de techniek. Tengevolge van de buitengewoon lage sufestraattemperatuur kan ook een afkoeltijd achterwege blijven.

Daardoor neemt de hoeveelheid vervaardigd materiaal, bij een ver-10 gelijkbare grootte van de opdampinrichting, toe tot ongeveer de drievoudige waarde per tijdseenheid, zodat de vervaardigingskosten aanzienlijk lager zijn.

De onderhavige werkwijze wordt daarbij op bijzonder gunstige wijze uitgevoerd bij substratentemperaturen tussen 20 en 180°C, waarbij 15 de werkwijze doelmatig wordt uitgevoerd bij het onderste einddeel van het temperatuurgebied. Dit maakt het mogelijk, in tegenstelling tot volgens de stand van de techniek, om ook kunststoffen te bedampen, bijvoorbeeld het basismateriaal CR 39.

Door de geringe zuigtijd wegens het minder grote vacuum, het 20 wegvallen van een opwarm- en afkoeltijd en door de grotere verdampings-snelheden wordt, zoals reeds gezegd, een aanzienlijk kortere procestijd bereikt dan bij de vervaardiging van de gebruikelijke oxydelagen.

Het is weliswaar bekend om interferentielagen te vervaardigen onder extreme schuine bedamping van substraatvlakken. Daarbij wordt 25 als laagmateriaal naast ZnS MgF£ of kryolieth onder strooigas opgedampt, waarbij ZnS ook door afzonderlijke verdamping van Zn en S kan worden gevormd. De aldus vervaardigde interferentielaagsystemen bezitten evenwel op verre na niet de mechanische-chemische en thermische eigenschappen van de volgens de onderhavige werkwijze vervaardigde 30 lagen. Anderzijds moet men bij de vervaardiging van laagsystemen uit uitsluitend "harde" oxydelaagmaterialen vaststellen, dat bij sterke schuine- bedamping de hechtsterkte en de kookvastheid nagenoeg tot nul afnemen.

Bij de onderhavige werkwijze werd de kookvastheid, zowel op 35 effen substraten als op sterk gekromde substraten (bijvoorbeeld op halfkogelvormige substraten) onderzocht volgens DIN 58196, Deel 2 C60.

84 0 0 0 9 1 W~--7 -5-

In beide gevallen vond ook na een voortgezette kookproef gedurende 60 uren geen enkel loskomen van de laag plaats en ook geen vermindering van de afwrijfsterkte en van de hechtsterkte, telkens bepaald volgens MIL C675 C.

5 De lage substratentemperatuur maakt het daarbij voor het eerst mogelijk alle optische elementen met dunne lagen, die een absorptie van nog circa 1 % toestaan, ook te vervaardigen uit voor temperatuur gevoelige kunststoffen, en wel met eigenschappen, zoals men die tot dusver slechts van oxydematerialen kent. Uitzondering op die eigen-10 schappen vormen slechts de temperatuurstabiliteit, die vanwege de als een substraat gebruikte kunststof is beperkt, alsmede de kookproef.

Een volgens de onderhavige werkwijze vervaardigde laagsysteem is nader toegelicht in figuur 1 van de tekening, waarin het uit glas bestaande substraat is aangeduid met "S", De lagen zijn genummerd in 15 volgorde van aanbrengen, waarbij de laag "n" de bovenste of deklaag is, die bestaat uit * 00 ^a9en 1 / 3, ..., n-2 en n bestaan daarbij uit A^Oy terwijl de lagen 2, 4, ..., n-1 uit ZnS bestaan.

Voorbeeld I.

Gaelfilter op glas.

20 In een opdampinrichting van het type 1100 Q (fabrikant: Firma

Leybold-Heraeus GmbH in Hanau, Duitse Bondsrepubliek) werden schijfvormige substraten uit glas gebracht en in 6 minuten werd de druk verminderd tot 10 Pa. Vervolgens werden de substraten op bekende wijze door een gloeiontlading gereinigd. Vervolgens werd de inrichting 25 in 14 minuten op een vacuum van 5 x 10 ^ Pa gebracht, waarna als strooi- -2 gas zuurstof tot een druk vein 2 x 10 Pa werd toegevoerd. Daarna werd met een elektronenstraalkanon gedurende 2 minuten ontgast, tot de druk stabiel bleef. Vervolgens werd het Al^O^ als eerste laag respectievelijk als hechtlaag opgedampt met een opdampsnelheid van 13 S/sec.

30 De regeling van de snelheid en de regeling van de diafragma's (voor het afdekken van de verdamper) geschiedden daarbij door middel van de oscillerende quarzmethode. Na de Al^O^-laag werd de eerste ZnS-laag opgedampt met een opdampsnelheid van 10 £/sec, terwijl het Al^O^ door een geringe energietoevoer op een verhoogde temperatuurniveau werd 35 gehouden. Na het sluiten van het diafragma voor de ZnS-verdamper (thermische verdamper) werd deze eveneens door een geringe energietoevoer gp een verhoogd temperatuurniveau gehouden, en het elektronenstraal- 84 00 09 1 -6-

J*. V

kanon werd weer op het verdampingsvermogen gebracht* Door afwisselende herhaling van deze bekledingswerkwijzen werden in totaal 17 afzonderlijke lagen met de hieronder weergegeven aard en laagdikten neergeslagen .

^ 1. laag Al^Og ^ X λ/4 voor 450 ΠΓΠ (referentiegolflengte) 2. laag ZnS 0,45 x λ/4 voor 450 nm 3. laag AlgOj 0,9 X λ/4 voor 450 ΠΓΠ 4. laag ZnS 0,95 x λ/4 voor 45 0 nm 5. laag AlgOg ^ X λ/4 voor 450 nm : 10 6. laag ZnS 1 x λ/4 voor 450 nm 7. laag A1 g 0 3 1 χλ/4 voor 450 n m 8'. laag ZnS 1 x λ/4 voor 45 0 nm 9 · laag Al £ 0 ^ 1 X λ/4 voor 450 nm 10. laag ZnS 1 x λ/4 voor450 nm 15 11. laag A^Og 1 x λ/4 voor450 nm 12. laag ZnS 1 x λ/4 voor450 nm 13. laag AlgOg 1 X λ/4 voor450 nm 14. laag ZnS 1 x λ/4 voor450 nm 15. laag ^"^2^3 ^ x λ/4 voor450 nm 20 16. laag ZnS 1 X λ/4 voor 450 nm 17. laag A^Og 2,1 X λ/4 voor450 nm..

De oubstratentenperatuur stélde zich -daarbij gemiddeld in op circa 50°C.

25 Tijdens het gehele proces werd de druk constant gehouden. Na op dampen van de laatste (17) laag werden de verdampers uitgeschakeld en na afkoelen daarvan na 1 minuut liet men de inrichting weer volstromen.

Op alle substraten werden interferentielagen verkregen, die voldeden aan de eerder hierboven beschreven proeven met betrekking tot 30 de wrijf vastheid, de hechtsterkte en de kookvastheid. Bovendien werd een absorptie verkregen beneden 1 %, een lange-duurstabiliteit van de ho'ekLigging (steile daling van de meetkromme bij de transmissiemeting) van 10 nm vanaf het openen van de inrichting tot de stilstand.

Voorbeeld II.

35 Geelfilter op CR 39.

Voorbeeld I werd herhaald, met als enig verschil, dat in plaats van de substraten van glas substraten uit de kunststof CR 39 werden ge- 840009( -7- liF"'··· bruikt. De kunststofsubstraten warmden tijdens de duur van de bekleding op vanaf kamertemperatuur tot circa 50°C. Het eindprodukt beantwoordde vlekkeloos aan de gestelde optische en mechanische eisen; slechts de kookproef werd achterwege gelaten. In het bijzonder werd een uitstekende 5 afwrijf- en hechtsterkte volgens MIL C 675 verkregen.

Voorbeeld III.

Koud-llchtspiegel op halve-bolvlak.

In de opdampinrichting volgens voorbeeld I werden substraten voor koud-lichtspiegels uit glas gebracht. Het ging daarbij om halve 10 bollen met een diameter van respectievelijk 32 en 54 mm en een centrale opening, zoals die bijvoorbeeld voor projectorlanden worden gebruikt.

De werkwijzeparameters voor het vacuumzuigen, het reinigen door gloeiontlading en voor de werkwijzedruk, met inbegrip van het binnenlaten van zuurstof als strooigas, kwamen, evenals de opdampsnelheden 15 voor de afzonderlijke lagen, overeen met die in voorbeeld I. Bij het "verhoogde temperatuurniveau" ging het om een zodanig tempera tuumiveau, van waaruit een spontane verdamping kon worden ingeleid, zonder dat de betreffende stoffen evenwel een voor een beduidende verdamping toereikende dampdruk konden ontwikkelen. Door afwisselende 20 herhaling van de afzonderlijke bekledingstrappen werden in totaal 35 afzonderlijke lagen van de in de onderstaande tabel aangegeven aard en laagdikten neergeslagen.

De snbstratentemperatuur stelde zich daarbij gemiddeld in op circa 50°C. Tijdens het gehele proces werd de druk constant gehouden.

25 Na het opdampen van de laatste (35) laag werden de verdampers uitgeschakeld en na het afkoelen daarvan na 1 minuut werd de inrichting volgestroomd.

Op alle substraten werden interferentielagen verkregen, die beantwoordden aan de hierboven beschreven proeven met betrekking tot de 30 wrijfvastheid, hechtsterkte en de kookvastheid. Dit was eveneens en in het bijzonder het geval voor de koud-lichtspiegels met een diameter van 32 mm, die vanwege de geringe krommingsstraal met betrekking tot de kookvastheid zeer in het bijzonder kritisch zijn. Bovendien werd een absorptie beneden 1 % verkregen alsmede een lange-duurstabiliteit van 35 de hoek ligging van 10 nm vanaf het openen van de inrichting tot aan de stilstand.

8400091 / , *

r * V

-8- 1. laag Al 2,2 7 x 4 voor 400 nm 2. laaf - Zn5 1,80 x - * 3. laag A1 2 9 3 * " " * 4. laag Zn S 1 , 21 x - · 5 5. laag Al2°3 1 *85 * ’ ' 6. laag ZnS 1,63 x_ ' ' - "· 7. laag Al^O^ l,*8 1x " " * 8. laag 2nS 1,62 x ' ' ' ' 9. laag AljOg 1,60 x 11 " * " 10 10. laag ZnS 1,78 x ' ' ' ' 11. laag A^2^3 1,65 x 12. laag ZnS 1,59 x 13. laag A^2^3 l,44x 14. laag ZnS 1,63.x '' ' ' 15 15. laag Al^ l,52x ' ' ' ' 16. laag ZnS 1,43 x ' ' ' ' 17. laag AljOg 1,40 x ' ' ' ' 18. laag ZnS 1,34 x ' * ' " 19. laag AlgOg 1 , 40 x " ' 20 20 . laag ZnS 1 , 32 x " " ' ' 21. laag A1203 1,40 x ' ' 22. laag ZnS 1,46 x ' ' 23. _ laag AljOg 1,2S x ’ ' 24. la:g ZnS 1,12 x ' ' ' ' ' 25 25. laag AlgOg 1 , 13 x ' ' 26. laag ZnS 1,14 x ' ' 27. laag Al2°3 1 ' 14 x ' ' 28. laag ZnS 1 , 08 x ' ' 29. laag AljOg 1,06 x ' ' 30 30'. laag ZnS 0,91-x 31. laag ' AlgOg 1,08 x ' ' 32. ' laag ZnS 1,26 x * * 33. laaf·· A1203 1,05 x * * 34. laag - ZnS 0,55 x * * 35 35. laag Al^ 1,06 x ' * 8400091 . -9- w·-—--.

Voorbeeld IV.

Antireflexlagen.

In de opdampInrichting volgens voorbeeld I werden verschillende plaatvormige substraten gebracht met afmetingen van 50 mm x 50 mm x 2 mm 5 en uit de volgende materialen:

Glas (BK7)

Polycarbonaat ("Makrolon" van Bayer) CR 39.

De werkwijzeparameters kwamen daarbij overeen met die van 10 voorbeeld I, evenwel met het verschil, dat geen zuurstof werd ingebracht en dat de diafragmaregeling plaatsvond door fotometer-meting.

Er werden in totaal zeven lagen volgens de onderstaande tabel opgedampt, waarbij als verrassend was te beschouwen, dat, alhoewel beide componenten «brekingsindexen bezaten, die groter waren dan die 15 van het substraat, foutloze ontspiegelingslagen konden worden gevormd, die bovendien nog een uitstekende mechanische en chemische bestandheid hadden.

1. laag A12C>3 lx λ/4 voor 913 nm 20 2. laag ZnS 1 x λ/4 voor 127 nm 3. laag Al2°3 1 x λ/4 voor 556 nm 4. laag ZnS 1 x λ/4 voor 264 nm 5. laag A^O^ 1 x ^4 voor 242 nm 6. laag ZnS 1 x λ/4 voor 619 nm 25 7. laag Al203 1 x λ/4 voor 616 nm

De reflectie-eigenschappen zijn grafisch weergegeven in figuur 2, waarbij de reflectia-waarden in procenten zijn aangebracht op het ordinaat. Bet gaat om een goede brede-bandontspiegeling tussen onge- 30 veer 460 en 640 nm, die voor kunst stafsubstraten zelfs als zeer goed valt aan te merken.

8*00091

Claims (5)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van optische elementen, in het bijzonder van filters, met interferentielagen uit dielektris.che. lag.en met afwisselend lage en hoge breking op organische en anorganische substraten, met het kenmerk, dat als eerste laag op het substraat 5 a"*"s ^aa<? met een lage breking wordt aangebracht, waarop in afwis selende volgorde verdere lagen uit ZnS en Al^O^ worden aangebracht, en dat als laatste laag een laag uit A^O^ wordt aangebracht.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste laag wordt aangebracht bij een suhstraattemperatuur van 20 - 180°C.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bekleding wordt uitgevoerd door een opdampwerkwijze bij drukwaarden tussen 1,3 x 10 ^ en 1,05 Pa.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het bij een opdampsnelheid tussen 10 en 15 £/sec. en het ZnS bij een 15 opdampsnelheid tussen 10 en 30 £/sec. wordt opgedampt.

5. Toepassing van de werkwijzen volgens conclusies 1-4 bij de vervaardiging van filters uit de groep gevormd door substractieve en additieve kleurscheidingsfilters, koud-lichtspiegels,warmte-reflectie- filters, filters voor het veranderen van de kleurtemperatuur, reflectors 20 voor het veranderen van de kleurtemperatuur, dielektrische smalband- filters en stralendelers in combinatie met substraten uit de groep gevormd door glas,, saffier en kunststof. 8400091