NL8401158A

NL8401158A - DEVICE WITH THIN LAYERS.

Info

Publication number: NL8401158A
Application number: NL8401158A
Authority: NL
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1983-04-18
Filing date: 1984-04-11
Publication date: 1984-11-16
Also published as: SE8402167L; GB8409958D0; GB2138966A; DE3404736A1; SE8402167D0; JPS59202408A; FR2544505A1

Description

N.0. 32343 *J-~-N.0. 32343 * J- ~ -

Inrichting met dunne lagen»Thin Layer Device »

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting met dunne lagen, met een op een onderlaag aangebracht optisch actief systeem bestaande uit afwisselend lagen van MgF2 en van T1O2, met een gemiddelde optische dikte van de afzonderlijke lagen van tenminste 100 nm. Onder op-5 tische dikte wordt in deze beschrijving verstaan het produkt van de werkelijke dikte en de brekingsindex van de materie van de laag. Systemen bestaande uit een aantal lagen van MgF2 en Ti02 worden bijvoorbeeld gebruikt als warmtefilters, stralingsdelers, geen metaal bevattende, sterk reflecterende spiegels, en dergelijke.The invention relates to a device with thin layers, with an optically active system applied to an underlayer consisting of alternating layers of MgF2 and of T1O2, with an average optical thickness of the individual layers of at least 100 nm. In this specification, optical thickness is understood to mean the product of the actual thickness and the refractive index of the material of the layer. Multi-layer systems of MgF2 and TiO2 are used, for example, as heat filters, radiation dividers, non-metallic, highly reflective mirrors, and the like.

10 Bijna alle dunne lagen, onverschillig of zij nu door opdampen, ka- thodeverstuiving of een chemische werkwijze op onderlagen zijn aangebracht, bezitten min of meer sterke trek- of drukspanningen die, als zij te groot worden, zich manifesteren door de vorming van scheuren in de laag of door afbladderen. In de literatuur worden enige oorzaken van 15 spanningen in lagen besproken en worden getalwaarden voor verschillende laagmaterialen opgegeven; een samenvatting vindt men in hoofdstuk 12 van het “Handbook of Thin Films", Mc Graw Hill Inc., 1970.Almost all thin layers, irrespective of whether applied to underlayers by vapor deposition, cathodic spraying or a chemical process, have somewhat strong tensile or compressive stresses which, if they become too great, are manifested by the formation of cracks in the layer or by peeling. In the literature some causes of stresses in layers are discussed and numerical values for different layer materials are given; a summary is found in chapter 12 of the "Handbook of Thin Films", Mc Graw Hill Inc., 1970.

In het algemeen kan worden gezegd dat de deskundigen het er over eens zijn dat spanningen in lagen van een aantal verschillende factoren 20 afhankelijk zijn, en dat reeds kleine veranderingen van de omstandigheden waaronder de vervaardiging plaatsvindt aanzienlijk andere spanningen ten gevolge kunnen hebben. Naast de chemische aard van de materie van de laag en de hierdoor bepaalde thermische uitzettingscoëfficiënt worden vooral ook verontreinigingen beschouwd als oorzaak van de wisse-25 lende grootte van de spanning bij een en hetzelfde laagmateriaal. Span-ningstoestanden kunnen niet slechts leiden tot beschadiging van de laag door haarscheuren en afbladderen van de onderlaag of van de lagen onderling, maar kan bovendien een deformatie van optische oppervlakken ten gevolge hebben die bij precisietoepassingen in de optiek, zoals 30 bijvoorbeeld interferentiesystemen, op storende wijze blijkt. Deze deformatie vormt zelfs de basis van een meetwerkwijze voor het bepalen van de laagspanning die gewoonlijk wordt aangegeven als een kracht per cm^ die in de doorsnede door de laag loodrecht op het laagoppervlak aangrijpt.In general, it can be said that those skilled in the art agree that stresses in layers depend on a number of different factors, and that even minor changes in the conditions under which manufacture takes place can result in significantly different stresses. In addition to the chemical nature of the material of the layer and the coefficient of thermal expansion determined thereby, impurities are also considered to be the cause of the varying magnitude of the stress with one and the same layer material. Tension states can not only damage the layer due to hairline cracks and flaking of the underlayer or of the layers themselves, but can also result in a deformation of optical surfaces which, in precision applications in the optics, such as interference systems, for example, are disturbing way turns out. In fact, this deformation forms the basis of a measurement method for determining the low voltage, which is usually indicated as a force per cm 3 which acts in a section through the layer perpendicular to the layer surface.

35 Voor opgedampte lagen van MgF2 is uit de literatuur (A.E. Ennos,35 For vapor deposited layers of MgF2, literature (A.E. Ennos,

Applied Opties, _5 (januari 1966), blz. 51) bekend, dat λ/4-lagen zoals dikwijls in de optische techniek worden toegepast en die (afhankelijk van de referentiegolflengte) een laagdikte van 100 nm of meer bezitten, 8401158 2 • -V "v spanningen tot 5000 kp per cm^ vertonen, die als de laag wordt blootgesteld aan vochtige lucht, later weer af nemen tot ongeveer 3400 kp per cm^. jn ieder geval moet zo mogelijk worden vermeden dat de lagen water opnemen, omdat daardoor een absorptieband optreedt die meer in het bij-5 zonder bij IR-toepassingen zeer storend blijkt te zijn. In elk geval treden echter, zoals reeds is opgemerkt, bij MgF2“lagen hoge inwendige spanningen op.Applied Options, 5 (January 1966), p. 51) discloses that λ / 4 layers as commonly used in optical technology and which (depending on the reference wavelength) have a layer thickness of 100 nm or more, 8401158 2 • - V "v exhibit voltages of up to 5000 kp per cm ^, which if the layer is exposed to moist air, decrease again later to about 3400 kp per cm ^. In any case, the layers should be avoided if possible, as this would an absorption band occurs which, in particular, appears to be very disturbing in IR applications, but in any case, as already noted, high internal stresses occur in MgF2 ".

Van Ti02_lagen is het bekend, dat deze eveneens grote spanningen in een grootte-orde tot 3600 kp per cm^ bezitten (W. Heitmann, Applied 10 Opties, 1Ό nr. 12 (december 1971), blz. 2685). In de beide genoemde li-teratuurplaatsen wordt aanbevolen te trachten de uit afzonderlijke lagen bestaande laagsystemen zodanig op te bouwen, dat de trekspanningen in één laag worden gecompenseerd door de drukspanningen van het andere laagmateriaal. Bij de beperkte keuze van voor een bepaald geval in aan-15 marking komende laagmaterialen kan men hieraan echter meestal nauwelijks voldoen en juist voor uit MgF2/Ti02 bestaande laagsystemen schijnt dit onmogelijk te zijn, want bij de beide genoemde laagmaterialen treden, zoals in de geciteerde literatuurplaatsen is te lezen, hoge trekspanningen op die elkaar dus niet kunnen compenseren. Systemen met 20 afwisselend lagen van TiÜ2 en MgF2 zijn derhalve (meer in het bijzonder bij systemen met een groot aantal lagen) dikwijls onbevredigend omdat zij vele zeer fijne haarscheurtjes vertonen (H. Anders, "Diinne v Schichten für die Optik", Stuttgart, 1965, blz. 164) en tengevolge van het door de scheurtjes verstrooide licht er troebel uitzien. Vanwege 25 hun andere goede eigenschappen gebruikt men deze beide laagmaterialen echter toch graag voor toepassing in interferentiefilters.TiO2 layers are known to also have large stresses in the order of up to 3600 kp per cm 2 (W. Heitmann, Applied 10 Options, 1 # 12 (December 1971), 2685). In the two literature locations mentioned, it is recommended to try to build up the layer systems consisting of separate layers in such a way that the tensile stresses in one layer are compensated by the compressive stresses of the other layer material. However, with the limited choice of layer materials for marking in a particular case, this can usually hardly be met, and this seems to be impossible, especially for layer systems consisting of MgF2 / TiO2, because with the two layer materials mentioned, as in the quoted literature can be read, high tensile stresses that cannot compensate each other. Systems with 20 alternating layers of TiÜ2 and MgF2 are therefore (more particularly in systems with a large number of layers) often unsatisfactory because they exhibit many very fine hairline cracks (H. Anders, "Diinne v Schichten für die Optik", Stuttgart, 1965 , p. 164) and appear cloudy due to the scattered light. However, because of their other good properties, both of these layer materials are still gladly used for use in interference filters.

De uitvinding heeft nu ten doel een nieuwe inrichting voor een systeem met afwisselend lagen van MgF2 en Ti02 te verschaffen, die aanzienlijk minder haarscheuren vormt, dat wil zeggen praktisch geen 30 scheuren vertoont en niet losraakt van de onderlaag, ook als het syteem uit vele afzonderlijke lagen, bijvoorbeeld meer dan 10 lagen bestaat (bij 10 lagen traden tot nu toe gebruikelijkerwijze reeds scheuren op).The object of the invention is now to provide a new device for a system with alternating layers of MgF2 and TiO2, which forms considerably fewer hairline cracks, that is to say practically does not show any cracks and does not become detached from the bottom layer, even if the system consists of many separate layers, for example more than 10 layers exist (at 10 layers cracks have hitherto usually already occurred).

De inrichting met dunne lagen volgens de uitvinding is hierdoor 35 gekenmerkt, dat tussen de onderlaag en het optisch actieve, uit een aantal lagen bestaande systeem bovendien tenminste één extra MgF2~ en één Ti02-laag als hulplagen worden tussengeschoven, waarvan de dikte kleiner is dan 1/5 van de gemiddelde dikte van elk van de afzonderlijke lagen van het optisch actieve systeem.The thin layer device according to the invention is characterized in that at least one additional MgF2 ~ and one TiO2 layer are interposed between the bottom layer and the optically active multilayer system as auxiliary layers, the thickness of which is less than 1/5 of the average thickness of each of the individual layers of the optically active system.

40 Bij voorkeur wordt een heel pakket van alternerende, als hulplagen 8401158 ast». ^ 3 fungerende MgF£- en TiOj-lagen tussengeschoven en wordt de gemiddelde laagdikte van de afzonderlijke hulplagen hoogstens gelijk gekozen aan λ/40 van de referentiegolflengte van het optisch actieve, uit MgF2/Ti02_lagen bestaande systeem (onder referentiegolflengte wordt 5 hier de golflengte verstaan die als basis voor de berekening van het systeem werd gebruikt, teneinde in het gebied van deze golflengte afhankelijk van het gestelde doel een maximale reflectie of transmissie te verkrijgen).40 Preferably a whole package of alternating, as auxiliary layers 8401158 ast ». ^ 3 functioning MgF £ and TiOj layers are interposed and the average layer thickness of the individual auxiliary layers is chosen at most equal to λ / 40 of the reference wavelength of the optically active system consisting of MgF2 / Ti02 layers (reference wavelength here means the wavelength which was used as the basis for the calculation of the system, in order to obtain a maximum reflection or transmission in the region of this wavelength depending on the objective set).

Het is mogelijk dat de met de uitvinding verkregen uitkomst er op 10 berust, dat de zeer dunne hulplagen een "glijden" mogelijk maken van het op de hulplagen liggende, optisch actieve systeem van dikkere lagen, zonder dat de hechting van dit systeem aan de onderlaag hierdoor wordt verminderd. Zulk een hypothese verklaart dat het systeem van de optisch actieve dunne lagen bij een inrichting volgens de uitvinding 15 dankzij het systeem van hulplagen zo goed aan de onderlaag hecht alsof het hiermee direct was verbonden, terwijl het daarentegen tengevolge van het kunnen glijden niet scheurt, zoals wel het geval zou zijn als het star met de onderlaag zou zijn verbonden.It is possible that the result obtained with the invention is based on the fact that the very thin auxiliary layers allow a "sliding" of the optically active system of thicker layers lying on the auxiliary layers, without the adhesion of this system to the substrate. this is reduced. Such a hypothesis explains that the system of the optically active thin layers in a device according to the invention adheres so well to the bottom layer as a result of the auxiliary layers system as if it were directly connected to it, while on the other hand it does not tear due to the possibility of sliding, such as would be the case if it were rigidly bonded to the substrate.

Hieronder wordt de uitvinding nader verklaard aan de hand van uit-20 voeringsvoorbeelden en de tekening, waarinThe invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments and the drawing, in which

Fig. 1 de constructie weergeeft van een inrichting met dunne lagen bestaande uit vier lagen met een optisch actieve dikte en met een systeem van zes aanzienlijk dunnere afzonderlijke hulplagen, enFig. 1 depicts the construction of a four-ply thin-layer device with an optically active thickness and a system of six substantially thinner individual auxiliary layers, and

Fig. 2 een tweede uitvoeringsvoorbeeld weergeeft waarbij een hulp-25 laagsysteem is aangebracht tussen optisch actieve lagen (waarbij de glasdrager tezamen met het eerste deel van de optisch actieve lagen de onderlaag vormt voor het daarop volgende systeem van hulplagen en een extra optisch actief systeem zoals aangegeven in conclusie 1.Fig. 2 shows a second exemplary embodiment in which an auxiliary layer system is arranged between optically active layers (wherein the glass carrier together with the first part of the optically active layers forms the bottom layer for the subsequent system of auxiliary layers and an additional optically active system as indicated in claim 1.

In fig. 1 betekent 30 1 de onderlaag, 2 een pakket van hulplagen bestaande uit 10 lagen van afwisselend TiÜ2 en MgF2 (de optische laagdikte van de afzonderlijke lagen bedraagt λ 0/40; de referentiegolflengte Λ 0 is 550 nm), 3 een Ti02-laag met een optische dikte Λ 0/4, 35 4 een MgF2~laag met een optische dikte Λ 0/4, 5 een Ti02~laag met een optische dikte λ 0/4, 6 een MgF2~laag met een optische dikte Λ 0/4.In Fig. 1, 1 represents the bottom layer, 2 represents a package of auxiliary layers consisting of 10 layers of alternating TiÜ2 and MgF2 (the optical layer thickness of the individual layers is λ 0/40; the reference wavelength Λ 0 is 550 nm), 3 a TiO2 layer with an optical thickness Λ 0/4, 35 4 a MgF2 ~ layer with an optical thickness Λ 0/4, 5 a Ti02 ~ layer with an optical thickness λ 0/4, 6 a MgF2 ~ layer with an optical thickness Λ 0/4.

In fig. 2 betekent 7 de onderlaag, 40 8 en 10 een Ti02~laag met een optische dikte λ 0/4, 8401158 «J.In Fig. 2, 7 the bottom layer, 40, and 10 means a TiO2 ~ layer with an optical thickness λ 0/4, 8401158 «J.

4 9 en 11 een MgF2~laag met een optische dikte Λ 0/4, 12 een lagenpakket bestaande uit 8 lagen van afwisselend TiÜ2 en MgF2 (de optische laagdikte van de afzonderlijke lagen bedraagt in dit voorbeeld Λ 0/50), 5 13 en 15 een Ti02~laag met een optische dikte A 0/4, 14 en 16 een MgF2~laag met een optische dikte Λ 0/4.4 9 and 11 a MgF2 ~ layer with an optical thickness Λ 0/4, 12 a layer package consisting of 8 layers of alternating TiÜ2 and MgF2 (the optical layer thickness of the individual layers in this example is Λ 0/50), 5 13 and 15 a TiO2 ~ layer with an optical thickness A 0/4, 14 and 16 a MgF2 ~ layer with an optical thickness Λ 0/4.

Op de met stippellijnen aangegeven plaatsen (tussen de lagen 4 en 5 in fig. 1 en tussen de lagen 9 en 10 en 14 en 15 in fig. 2) zijn extra lagen van MgF2 en Ti02 met een optische dikte van A 0/4 aange- 10 bracht, overeenkomend met het in het desbetreffende geval aangebrachte, optisch actieve, uit een aantal lagen bestaande systeem.In the places indicated by dotted lines (between layers 4 and 5 in Fig. 1 and between layers 9 and 10 and 14 and 15 in Fig. 2), additional layers of MgF2 and TiO2 with an optical thickness of A 0/4 have been applied. - 10, corresponding to the optically active multilayer system applied in the case in question.

De brekingsindices van de materialen van de uit Ti02~, respectievelijk MgF2 bestaande lagen bedragen in de beide voorbeelden 2,3 respectievelijk 1,38. Men dient erop te letten, dat de laagdiktèn met 15 betrekking tot de onderlaag en met betrekking tot elkaar niet op de juiste schaal konden worden getekend.The indices of refraction of the materials of the layers consisting of TiO2 ~ and MgF2, respectively, are 2.3 and 1.38 in both examples. It should be noted that the layer thicknesses with respect to the underlayer and with respect to each other could not be drawn to the correct scale.

De lagen kunnen met bekende werkwijzen, zoals opdampen in vacuum of kathodeverstuiving worden aangebracht. Dit aanbrengen zelf vormt echter geen onderwerp van de onderhavige uitvinding; hiervoor wordt men 20 verwezen naar de omvangrijke speciale literatuur.The layers can be applied by known methods such as vacuum evaporation or sputtering. However, this application itself is not a subject of the present invention; for this, reference is made to the extensive special literature.

84011588401158

Claims

A thin-layer device, with an optically active system applied to a substrate, consisting of a number of alternating layers of MgII 2 and TiO 2, with an average optical thickness of the individual layers of at least 100 nm, characterized in that between the substrate and the optically active multilayer system has interleaved at least one additional MgF2 ~ and one TiO2 layer as an auxiliary layer, the individual layers of which thickness is less than 1/5 of the average thickness of the individual layers of the surface layer. 10 tically active system. *

Thin-layer device according to claim 1, characterized in that a package is interposed consisting of a number of mutually alternating MgF2 and TiO2 layers.

The thin layer device according to claim 1, characterized in that the average thickness of the individual auxiliary layers is at most equal to X / 40 of the reference wavelength of the optically active multilayer system.

Thin-layer device according to claim 1, characterized in that the bottom layer consists of a carrier already covered by layers.

Thin layer device according to claim 1, characterized in that the optically active multilayer system contains at least 10 separate layers. 111-l-l 8401158