DE69128192T2

DE69128192T2 - Verfahren zur abscheidung von nioboxid enthaltenden optischen beschichtungen mittels reaktiver gleichstromzerstäubung

Info

Publication number: DE69128192T2
Application number: DE69128192T
Authority: DE
Inventors: Eric Dickey; Debra Steffenhagen
Original assignee: Viratec Thin Films Inc
Current assignee: Viratec Thin Films Inc
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2011-08-01
Also published as: JPH05502310A; EP0498884A1; DE69128192D1; WO1992004185A1; CA2067765A1; EP0498884A4; ATE160107T1; EP0498884B1; US5372874A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Verfahren zur Herstellung von optischen Mehrlagenbeschichtungen für transparente Substrate, und insbesondere auf solche Verfahren, bei denen die Schichten durch gleichstromreaktives Sputtem aufgebracht werden.
Gleichstromreaktives Sputtem ist das Verfahren, das am meisten eingesetzt wird für großflächige kommerzielle Beschichtungsanwendungen. So werden z.B. Metalloxidschichten abgelagert durch Sputtern des geeigneten Metalls in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Bei dem Verfahren des reaktiven Sputterns werden die zu beschichtenden Artikel durch eine Reihe von Inline- Vakuumkammern hindurchgeführt, deren jede Sputterquellen aufweist. Die Kammem sind durch Vakuumschleusen voneinander isoliert. Ein solches System kann als Inline-System oder einfach als Glasbeschichter bezeichnet werden.
Aus Mehrschichten bestehende antireflektierende Beschichtungen werden durch Ablagem von zwei oder mehr Schichten eines transparenten dielektrischen Materials auf einem Substrat hergestellt. Wenigstens eine dieser Schichten weist einen Brechungsindex auf, der größer ist als der des Substrates, auf das die Beschichtung aufgebracht wird. Die Beschichtungen können so ausgelegt werden, daß sie die Reflexion bei allen Wellenlängen im sichtbaren Spektrum absenken. Die Beschichtungen können zu Reflexionswerten geringer als 0,25% über dem sichtbaren Spektrum führen.
Die Zeit zum Ablagern einer Beschichtung wird hauptsächlich von der Anzahl der Schichten und der Sputtergeschwindigkeit des Materials bestimmt. Die Verwendung eines Glasbeschichters zum Ablagern von antireflektierenden Mehrlagenbeschichtungen kann deren kosten merklich herabsetzen und damit deren Anwendungsbereich ausdehnen. Solche Beschichtungen können auf Bilderrahmenglas und auf einem Ausstellungskasten sowie als thermische Steuerschichten für Architektur- und Automobil-Verglasungen eingesetzt werden.
Die meisten antireflektierenden Mehrlagenbeschichtungen werden von einem Dreischichten- Grundsystem abgeleitet. Die erste oder äußerste Schicht des Systems weist einen Brechungsindex kleiner als der des Substrates und eine optische Dicke von etwa einer Viertel Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 Nanometem (nm) auf. Die zweite oder mittlere Schicht hat einen Brechungsindex größer als der des Substrates und eine optische Dicke von etwa einer halben Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm. Die dritte Schicht, d.h. die Schicht, die auf dem Substrat abgelagert ist, weist einen Brechungsindex größer als der des Substrates, aber geringer als der Brechungsindex der zweiten Schicht, auf. Die optische Dicke der dritten Schicht liegt bei etwa einer Viertel Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm. Dieser Grundaufbau wurde zuerst in dem Artikel mit dem Titel "Reflexionsabsenkende Dreilagenbeschichtungen" von Lockhart und King, J. Opt. Soc. Am., Bd. 37, S. 689-694 (1947), beschrieben.
Ein Nachteil dieses Dreischicht-Grundsystems liegt darin, daß die Brechungsindices der Schichten spezifische Werte aufweisen müssen, um das kleinste Reflexionsvermögen herzustellen. Die Auswahl und die Kontrolle des Brechungsindex der dritten Schicht ist besonders wichtig. Eine Abweichung von den spezifischen Werten des Brechungsindex kann nicht durch Verändern der Dicke der Schichten ausgeglichen werden.
Eine einfache Verbesserung des Systems von Lockhart und King wird im US-Patent Nr. 3,432,225 beschrieben, das an Rock erteilt wurde. Das Rock-System umfaßt vier Schichten. Die erste oder äußerste Schicht hat einen Brechungsindex geringer als der des Substrates und eine optische Dicke von etwa einer Viertel Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm. Die zweite oder mittlere Schicht hat einen Brechungsindex größer als der des Substrates und eine optische Dicke von etwa einer halben bis sechs Zehntel einer Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm. Die dritte Schicht weist eine Dicke von etwa einem Zehntel einer Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm auf. Der Brechungsindex der dritten Schicht ist kleiner als der der zweiten Schicht. Die vierte Schicht hat eine optische Dicke von etwa einem Zehntel einer Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm, und einem Brechungsindex größer als der der dritten Schicht und der des Substrates. Die dritte Schicht kann aus demselben Material wie die erste Schicht und die vierte Schicht aus demselben Material wie die zweite Schicht bestehen.
Das Rock-System kann mit unterschiedlichen Materialkombinationen eingesetzt werden. Unterschiede in den Brechungsindices können durch unterschiedliche Schichtdicken ausgeglichen werden. Magnesiumfluorid (MgF&sub2;) kann zur Ausbildung der äußeren und der dritten Schicht eingesetzt werden. Wenn ein Material mit einem höheren Brechungsindex für die äußere Schicht verwendet wird, dann muß auch der Brechungsindex der zweiten Schicht größer sein, um das geringste Reflexionsvermögen zu erzielen.
Magnesiumfluorid kann durch Sputtem aufgebracht werden, erfordert aber eine reaktive Atmosphäre mit Fluor oder mit Wasserstoff-Fluorid. In einem Schichtsystem, das für ein Ablagern durch gleichstromreaktives Sputtem in einem Glasbeschichter ausgelegt ist, besteht die äußere Schicht üblicherweise aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;). Siliciumdioxid hat einen Brechungsindex von etwa 1,46 bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm. Wenn der Brechungsindex der ersten Schicht etwa 1,46 beträgt, würde eine zweite Schicht mit einem Brechungsindex von etwa 2,35 zur geringsten Reflexion über dem sichtbaren Spektrum führen. Titandioxid (TiO&sub2;) hat einen Brechungsindex von etwa 2,35 bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm. Es wird als solches häufig als das Material mit dem hohen Brechungsindex in einem System eingesetzt, das durch gleichstromreaktives Sputtern abgelagert wird.
Das Rock-System kann angenähert gleiche Dicken von Titandioxid und Siliciumdioxid erfordern. Siliciumdioxid kann viermal schneller als Titandioxid gesputtert werden. Um auf einer optimalen Geschwindigkeit zu arbeiten, kann ein Glasbeschichter viermal so viele Sputterkathoden für Titandioxid wie für Siliciumdioxid erfordern. Allerdings kann es seinu daß der Beschichter nicht genug kammem aufweist, um all diese Titandioxid-Kathoden aufnehmen zu können. Deshalb muß die Ablagerungsgeschwindigkeit für das Siliciumdioxid abgesenkt werdenu um mit der Ablagerungsgeschwindigkeit des Titandioxids "in Gleichschritt" gebracht zu werden. Dies verringert den Ausstoß und erhöht die Herstellungskosten.
Materialien wie Zinnoxid (SnO&sub2;) oder Zinkoxid (ZnO) können durch gleichstromreaktives Sputtern mit einer Geschwindigkeit abgelagert werden, die wenigstens sechsmal schneller als die für Titanoxid ist. Diese Materialien haben jedoch einen Brechungsindex von etwa 1,9 bei einer Wellenlänge von 520 nm. Die Tageslichtreflexion einer antireflektierenden Vierlagenbeschichtung unter Benutzung von Zinkoxid oder Zinnoxid als zweiter Schicht würde nur etwa 0,4 Prozent betragen.
Die geringe gleichstromreaktive Sputtergeschwindigkeit für Titandioxid bringt auch Schwierigkeiten bei der Ablagerung von hochreflektierenden Beschichtungen mit sich. Hochreflektierende Beschichtungen umfassen verbesserte Metallreflektoren, die eine Metallschicht aufweisen, welche mit Materialien von geringem und hohem Brechungsindex überbeschichtet ist. Verbesserte Reflektoren können vier solche überdeckte Schichten aufweisen, damnter zwei Schichten mit hohem und zwei Schichten mit geringem Brechungsindex, die altemierend angeordnet sind. Jede Überdeckungsschicht hat eine optische Dicke von etwa einer Viertel Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm. Eine Schicht mit geringem Brechungsindex befindet sich in Kontakt mit der Metallschicht. Der Brechungsindex des Werkstoffs mit dem hohem Brechungsindex sollte so groß wie möglich und der Brechungsindex des Werkstoffs mit dem kleinen Brechungsindex sollte so gering wie möglich sein. Dies sorgt für eine optimale Reflexionsverbessemng. Die Materialien mit hohem und geringem Index sollten auch kein sichtbares Licht absorbieren.
In der Industrie für Architektur-Glasbeschichtung wird Zinkoxid als ein Schichtmaterial für die Ausbildung von Beschichtungen mit geringem Emissionsvermögen (E) eingesetzt. Diese Beschichtungen werden so ausgelegt, daß sie langweilige Infrarotstrahlung reflektieren, während sie sichtbares Licht durchlassen. Sie weisen auch eine geringe Reflexion für sichtbares Licht von wenigstens einer Oberfläche auf. Eine Beschichtung mit geringem E kann drei Schichten umfassen, z.B.eine Silberschicht, die von zwei dielektrischen Schichten eingebunden ist. Die Silberschicht muß dick genug sein, um eine hohe Infrarotreflexion zu zeigen. Die dielektrischen Schichten verkleinern die Reflexion von der Silberschicht im sichtbaren Spektrum und verbessern so die Lichttransmission durch das beschichtete Glas. Die Silberschicht ist bevorzugt zwischen etwa 10 und 15 nm dick. Der Brechungsindex der dielektrischen Schichten sollte relativ hoch sein. Ein Material mit einem Brechungsindex von etwa 2,35 bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm, wie z.B. Titandioxid, würde für die reflexionssenkenden Schichten gegenüber Zinkoxid bevorzugt.
Zinkoxid weist einen Brechungsindex von etwa 119 bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm auf. Der höhere Index gestattet die Verwendung einer dickeren Silberschicht, wobei gleichzeitig eine geringe Transmission für sichtbares Licht und eine hohe Reflexion beibehalten werden. So erzeugt z.B. bei der Benutzung dielektrischer Zinkoxid-Schichten eine Silberschicht von etwa 8 nm Dicke das geringste Reflexionsvermögen. Für dielektrische Schichten aus Titanoxid erzeugt eine Silberschicht von etwa 130 nm Dicke das geringste Reflexionsvermögen. Die dickere Silberschicht kann auch eine größere Reflexion bei längeren Wellenlängen schaffen, d.h. ein kleineres Emissionsvermögen. Die dickere Silberschicht kann ferner eine größere Reflexion und eine geringere Transmission im mittleren lnfrarotspektrum ergeben, was die solare Hitzebelastung absenkt. Die Bevorzugung von Zinkoxid durch die Industrie beruht im wesentlichen auf dessen hoher Sputtergeschwindigkeit. Die niedrigeren Herstellungskosten, die durch die hohe Sputtergeschwindigkeit erreicht werden, können ausreichend sein, um die geringere als optimale optische Leistungsfähigkeit zu rechtfertigen. Die Lebensdauer eines Schichtsystems, bei dem Zinkoxid eingesetzt wird, ist auch schlecht infolge der Weichheit des Zinkoxids.
Es wird weithin angenommen, daß Materialien, die mit hohen gleichstromreaktiven Sputtergeschwindigkeiten abgelagert werden können, relativ geringe Brechungsindices aufweisen. Vergleiche der Abscheidungsgeschwindigkeit können von Quelle zu Quelle leicht inkonsistent sein. Der Typ der eingesetzten Maschine und der eingesetzten Kathode können ebenfalls Einfluß auf die Resultate haben. Die nachfolgenden Vergleiche für angenäherte Geschwindigkeiten dienen zur Darstellung der Verallgemeinerung. Die Werte für Brechungsindices, die angegeben werden, sind die angenäherten Werte bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm. Titandioxid hat einen Brechungsindex von etwa 2,35, und Tantaloxid (Ta&sub2;O&sub5;) weist einen Brechungsindex von etwa 2,25 auf. Tantaloxid kann etwa zweimal so schnell wie Titandioxid abgeschieden werden. Zirkonoxid (ZrO&sub2;) hat einen Brechungsindex von etwa 2,15 und kann etwa zweimal so schnell wie Titandioxid abgeschieden werden. Zinnoxid hat einen Brechungsindex von etwa 1,95 und kann etwa zehnmal so schnell wie Titandioxid abgeschieden werden. Und Zinkoxid weist einen Brechungsindex von etwa 1,90 auf und kann etwa zehnmal so schnell wie Titandioxid abgelagert werden.
Das oben angegebene Verhältnis zwischen dem Brechungsindex und der Sputtergeschwindigkeit zeigt, daß hohe Abscheidegeschwindigkeiten nur mit Materialien erreicht werden könnenu die relativ geringe Brechungsindices haben. Eine wahrscheinlichere Erklärung besteht jedoch darin, daß Zinkoxid und Zinnoxid Halbleiter sind. Als solche können auf einem Sputtertarget aus Zink oder Zinn ausgebildete Oxide keine isolierende Schicht ausbilden, die die Sputtergeschwindigkeit absenkt. Damit sind große Sauerstofflußgeschwindigkeiten im Sputtergas ohne Verlust an Leistung möglich. Somit sind auch höhere Oxidabscheidungsgeschwindigkeiten möglich.
In der WO-A-91 10564 wird eine heizbare Fahrzeugwindschutzscheibe beschrieben, die ein Substrat aufweist, auf dem eine Oxidschicht, die Nioboxid sein kann, durch Verfahren, die auch Sputtern einschließen können, abgelagert wird. Eine dünne Metallschicht wird auf der Oxidschicht abgeschieden und eine weitere Oxidschicht wird auf der Metallschicht abgelagert.
Die WO-A-914016 beschreibt ein Mehrlagensystem mit einer hohen Infrarot-Reflexionsfähigkeit. Eine Schicht aus Nioboxid wird auf einem Trägersubstrat angebracht, und eine Metallschicht wird auf der Nioboxidschicht vorgesehen. Eine weitere Nioboxidschicht wird auf die Metallschicht aufgebracht.
In der EP-A-0263541 wird eine antireflektierende Vierlagenbeschichtung auf einer Planscheibe angebracht. Die Beschichtung weist zwei Niobpentoxidschichten und zwei Siliciumdioxidschichten auf, die alternierend angebracht sind, wobei eine der Niobpentoxidschichten neben der Planscheibe liegt.
Entsprechend ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Materials mit einem hohen Brechungsindex anzugeben, das einen Brechungsindex angenähert gleich dem des Titandioxid aufweist, aber mit einem gleichstromreaktiven Sputtern mit einer Geschwindigkeit aufgebracht werden kann, die mindestens viermal schneller als die für Titandioxid ist, und bevorzugt bei einer Geschwindigkeit, die mit der für Zinkoxid vergleichbar ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die Herstellung eines Materials mit einem hohen Brechungsindex vorzusehen, wobei das Material eine hohe Sputtergeschwindigkeit bei gleichstromreaktivem Sputtern aufweist und dauerhaft sowie abriebsfest ist.
Es ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Prozeß für das Erhalten eines antireflektierenden Schichtsystems anzugeben, das bei geringen kosten in einer Großflächen- Inline-Sputtermaschine aufgebracht werden kann.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren zum Erhalten einer verbesserten Reflektorbeschichtung anzugebenu die bei geringen kosten in einer Großflächen-Inline- Sputtermaschine aufgebracht werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist ausgerichtet auf Verfahren zur Herstellung von optischen Mehrlagenbeschichtungen, die im wesentlichen zumindest eine Schicht aus Nioboxid aufweisen welche durch gleichstromreaktives Inline-Sputtem aufgebracht wurde. Zumindest eine weitere Schicht mit einem Brechungsindexu der unterschiedlich zu dem der Nioboxidschicht ist, ist neben dem Nioboxid angebracht. Die Nioboxidschicht kann verschiedene Oxide von Niob aufweisen und kann auch einige Verunreinigungen oder Dotierstoffe umfassen. Die optische Beschichtung kann z.B. eine antireflektierende Beschichtung oder ein verbesserter Metallreflektor sein.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 15 angegeben.
Die Nioboxidschicht kann unter denselben Sputterbedingungen zwei- bis fünfmal schneller als Titandioxid aufgetragen werden. Der Brechungsindex der Nioboxidschicht liegt bei etwa 2,45 bei einer Wellenlänge von etwa 400 nm, bei 2,35 bei eine Wellenlänge von etwa 520 nm, und bei 2,30 bei einer Wellenlänge von etwa 700 nm.
Eine antirefiektierende Vierlagenbeschichtung mit Schichten aus Nioboxid und Siliciumdioxid kann eine Tageslichtreflexion kleiner als etwa 0,15 Prozent aufweisen.
Beschichtungen mit Nioboxidschichten können weniger aufwendiger hergestellt werdenu da sie bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten aufgebracht werden können. Die geringeren kosten können die Anwendung solcher Beschichtungen auf neue und nützliche Bereiche ausdehnen, wie z.B. auf antireflektierende Beschichtungen auf architektonischen Scheiben und Kraftfahrzeugscheiben.

Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung eingearbeitet sind und einen Teil derselben bildenu illustrieren schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und dienen zusammen mit der allgemeinen Beschreibung, die weiter oben gegeben wurde, und der ausführlichen Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels, die sich weiter unten findetu zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine antireflektierende Vierlagenbeschichtung.
Figur 2 zeigt eine graphische Darstellung zur Illustration berechneter Reflexionswerte als Funktion der Wellenlänge einer antireflektierenden Vierlagenbeschichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 ist eine graphische Darstellung zur Illustration berechneter Reflexionswerte als Funktion der Wellenlänge für eine antireflektierende Vierlagenbeschichtung, bei der Titandioxid und Siliciumdioxid benutzt werden.
Figur 4 illustriert schematisch eine verbesserte Reflektorbeschichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Figur 5 zeigt eine graphische Darstellung zur Illustration berechneter Reflexionswerte als Funktion der Wellenlänge für eine verbesserte Reflektor-Vierlagenbeschichtung, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Figur 6 illustriert schematisch eine Dreilagenbeschichtung mit geringem Emissionsvermögen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Figur 7 zeigt eine graphische Darstellung zur Illustration berechneter Werte für die Reflexion und Transmission als Funktion der Wellenlänge für eine Beschichtung mit geringem Emissionsvermögen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist ausgerichtet auf Verfahren für die Herstellung von Mehrlagenbeschichtungenu die zumindest eine gleichstromreaktiv aufgesputterte Schicht aus Nioboxid (Nb&sub2;O&sub5;) umfassen. Diese Schichten sind dauerhaft und absorbieren, falls überhaupt, nur wenig sichtbares Licht. Nioboxid hat einen Brechungsindex von etwa 2,35 bei einer Wellenlänge von etwa 510 nm. Es kann etwa sechsmal schneller als Titandioxid aufgebracht werden. Als solche kann die Verwendung von Nioboxid anstelle von Titanoxid eine dreifache Erhöhung der Herstellgeschwindigkeit ergeben. Überdies wird die gesteigerte Herstellgeschwindigkeit ohne Verlust an optischer Leistungsfähigkeit erreicht. Tatsächlich hat das gleichstromreaktiv gesputterte Nioboxid eine geringere Dispersion als Titanoxid, was zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit für bestimmte Systeme führt.
Die Nioboxidschichten können durch gleichstromreaktives Sputtern in einer ILS 1600 Inline Sputtermaschine aufgebracht werden, die von der Airco Coating Technologies aus Fairfield, CA, erhältlich ist. Die Sputterkathode kann ein 6" Planar-Rundmagnetron sein, das von VacIec Inc. aus Bouider, CO, erhältlich ist. Das Target kann aus 99,9% Niob bestehen, das von Cerac Inc. aus Milkwaukee, WI, bezogen werden kann. Das Nioboxid kann bei einer Spannung von -604 Volt und einem Sputterdruck von 3,8 Millitorr gesputtert werden. Das Sputtergas kann eine Mischung aus Argon und Sauerstoff sein, wobei die Strömungsgeschwindigkeit für den Sauerstoff und das Argon bei 14,5 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) bzw. 45 sccm liegen. Schichten verschiedener Dicke werden unter Beibehaltung der oben beschriebenen Sputterbedingungen sowie bei veränderter Geschwindigkeit, mit der das Substrat unter den Kathoden vorbeiläuft, abgeschieden. Die optischen Konstanten einer Nioboxidschicht, d.h. der Brechungsindex (n) und der Extinktionskoeffizient (k), werden aus Messungen der Reflexion und der Transmission von Schichten bekannter physikalischer Dicke bestimmt. Die Ergebnisse der Proben bei verschiedenen Wellenlängen sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
Bei einer Wellenlänge von 520 nm, nominal in der Mitte des sichtbaren Spektrums, wird Titanoxid einen Brechungsindex von etwa 2,35 aufweisen, der etwa derselben ist wie der Brechungsindex von Nioboxid. Bei einer Wellenlänge von 400 nm wird Titandioxid einen Brechungsindex von etwa 2,54 aufweisen, und der Brechungsindex von Nioboxid wird etwa 2,428 sein. Bei einer Wellenlänge von 700 nm wird das Titandioxid einen Brechungsindex von etwa 2,26 verglichen mit 2,30 für Nioboxid aufweisen. Wie daraus ersehen werden kann, sind die Nioboxidschichten deutlich weniger dispersiv als die Titandioxidschichten, wobei sie im wesentlichen denselben Brechungsindex in der Mitte des sichtbaren Spektrums haben.
Die Abscheidegeschwindigkeit für das Nioboxid ist bis zu fünfmal größer als die für Titandioxid bei denselben Sputterbedingungen. Die Nioboxidschichten sind ebenso abriebs- und kratzresistent wie Titanoxidschichten. Daher können Nioboxidschichten anstelle von Titandioxidschichten in optischen Beschichtungen eingesetzt werden, ohne daß bezüglich der optischen oder physikalischen Eigenschaften des Systems ein Kompromiß eingegangen werden muß.
Wie in Figur 1 gezeigt, können die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellten Beschichtungen in Form einer antireflektierenden Rock-Typ-Beschichtung ausgebildet sein. Die Beschichtung oder das Beschichtungssystem 10 kann auf einem Glas- oder einem Kunststoffsubstrat 14 ausgebildet werden. Der Brechungsindex des Substrates 14 kann etwa 1,52 bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm sein.
Die Beschichtung 10 umfaßt eine Reihe von Schichten 12, 16, 18 und 20. Die erste oder äußerste Schicht 12 hat einen geringen Brechungsindex, bevorzugt kleiner als der des Substrates 14. Die optische Dicke der Schicht 12 ist etwa eine Viertel Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 510 nm. Die zweite Schicht 16 hat einen hohen Brechungsindex und eine optische Dicke etwa zweimal so groß wie die der Schicht 12. Die dritte Schicht 18 weist einen relativ geringen Brechungsindex und die vierte Schicht 20 einen relativ hohen Brechungsindex auf. Die gesamte optische Dicke der Schichten 18 und 20 ist im allgemeinen kleiner als etwa eine Viertel Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 510 nm. Die Brechungsindices der Schichten 12 und 16 müssen ein spezifisches Verhältnis aufweisen, um die geringste Reflexion über das sichtbare Spektrum zu erreichen.
In gleichstromreaktiv gesputterten Beschichtungen ist das bevorzugt eingesetzte Material für die Schicht 12 Siliciumdioxid. Dieses Material wird bevorzugt, weil es dauerhaft ist und leicht durch gleichstromreaktives Sputtem aufgebracht werden kann. Siliciumdioxid weist einen Brechungsindex von etwa 1,46 bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm auf und die physikalische Dicke der Schicht 12 kann etwa 85,2 nm betragen. Die Schicht 18 besteht ebenfalls bevorzugt aus Siliciumdioxid und ihre physikalische Dicke kann etwa 35,1 nm sein.
Die Schichten 16 und 20 bestehen aus gleichstromreaktiv gesputtertem Nioboxid. Die Schicht 16 hat eine physikalische Dicke von etwa 113,9 nm und die Schicht 20 eine physikalische Dicke von etwa 11,8 nm. Der Brechungsindex der Schichten 16 und 20 beträgt etwa 2,35 bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm. Die berechnete Reflexionsleistung für die Beschichtung 10 auf dem Substrat 14 ist in Figur 2 dargestellt.
Figur 3 zeigt die berechnete Reflexionsleistung für ein Vierlagensystem ähnlich dem aus Figur 1 wobei die äußerste Schicht aus Siliciumdioxid besteht, das eine physikalische Dicke von etwa 87,2 nm hat. Die zweite und vierte Schicht bestehen aus Titandioxid mit physikalischen Dicken von etwa 1 09,2 nm bzw. 16,8 nm. Die dritte Schicht ist Siliciumdioxid mit einer physikalischen Dicke von etwa 30,8 nm. Der Brechungsindex des Substrats liegt bei etwa 1,52 bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm.
Ein Vergleich der Figuren 2 und 3 zeigt, daß das Ersetzen des Titandioxid durch Nioboxid in der Vierlagenbeschichtung zu keinem ungünstigen Effekt auf deren optische Leistungsfähigkeit führt. Die Beschichtung, die durch die vorliegende Erfindung erreicht werden kann, kann aber dreimal schneller als eine Beschichtung unter Verwendung von Titandioxid abgeschieden werden. Die Beschichtung weist auch eine leicht bessere optische Leistungsfähigkeit auf. Zum Beispiel liegen die Reflexionswerte für die Beschichtung 10 (vgl. Figur 2) an den Enden des sichtbaren Spektrums, d.h. bei etwa 425 nm und 675 nm, um einen Faktor von zwei tiefer. Dieser Leistungsunterschied geht auf die Dispersion mit geringerem Index der Nioboxidschichten im Vergleich mit den Titandioxidschichten zurück.
Wie in Figur 4 gezeigt, besteht ein anderes Ausführungsbeispiel, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, in einer verbesserten Reflektor-Mehrlagenbeschichtung 22. Das Schichtsystem 22 umfaßt eine Metallschicht 24, die dem Substrat 26 benachbart ist. Die Beschichtung 22 weist ferner Schichten 28 und 32 mit geringem Brechungsindex und Schichten 30 und 34 mit hohem Brechungsindex auf. Die optische Dicke jeder der Schichten 28, 30, 32 und 34 beträgt etwa eine Viertel Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 510 nm. Das Substrat 26 kann aus irgendeinem Material bestehen, auf dem eine polierte oder eine spiegelreflektierende Oberfiäche erzeugt werden kann. Die Beschichtung 22 ist so aufgebaut, daß sie in der Richtung, die durch den Pfeil A angegeben ist, zu betrachten ist.
Die Schicht 24 der Beschichtung 22 kann aus Aluminium mit einer physikalischen Dicke von etwa 200 nm bestehen. Die Schichten 28 und 32 können Siliciumdioxid mit einer physikalischen Dicke von etwa 75,3 nm bzw. 90,6 nm sein. Die Schichten 30 und 34 bestehen aus gleichstromreaktiv gesputtertern Nioboxid mit einer physikalischen Dicke von etwa 50,5 nm bzw. 50,7 nm. Die berechneten Reflexionswerte für die Beschichtung 22 mit solchen Dimensionen sind durch Kurve B in Figur 5 dargestellt.
Die Kurve C in Figur 5 zeigt die Leistung einer Beschichtung mit Titandioxid anstelle von Nioboxid. Im Speziellen umfaßt eine solche Beschichtung eine Aluminiumschicht, die dem Substrat benachbart ist und eine physikalische Dicke von etwa 200 nm aufweist. Die Siliciumdioxidschichten haben eine physikalische Dicke von etwa 79,8 nm bzw. 92,6 nm. Die innerste und äußerste Titandioxidschicht weist eine physikalische Dicke von etwa 50,3 nm bzw. 50,6 auf.
Ein Vergleich der Kurven B und C zeigt, daß die Reflexionsleistung der beiden Beschichtungen im sichtbaren Spektrum etwa dieselbe ist. Jedoch hat die Nioboxidbeschichtung 22 ein deutlich größeres Reflexionsvermögen an den Enden des sichtbaren Spektrums, d.h. bei etwa 425 nm und 675 nm. Dies geht auf die Tatsache zurück, daß Nioboxid eine geringere Dispersion als Titandioxid aufweist. Die Beschichtung auf der Basis von Nioboxid kann auch bei einer Geschwindigkeit aufgebracht werdenu die etwa 50% schneller ist als die bei einer Beschichtung auf der Basis von Titanoxid.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine Beschichtung 36 mit geringem Emissionsvermögen (E), die in Figur 6 gezeigt ist. Die Beschichtung mit geringem E oder das Schichtsystem 36 umfaßt eine Metallschicht 38, die an beiden Seiten durch transparente dielektrische Schichten 40 und 42 eingebunden ist. Die Schicht 30 kann aus Silber mit einer physikalischen Dicke von etwa 13,9 nm bestehen. Die Schichten 40 und 42 bestehen aus gleichstromreaktiv gesputtertem Nioboxid mit einer physikalischen Dicke von etwa 34,4 nm bzw. 36,6 nm. Das Substrat 44 kann Glas oder Kunststoff sein. Das Schichtsystem wird in der Richtung des Pfeiles D betrachtet.
Die berechneten Werte für Reflexion (Kurve E) und Transmission (Kurve F) für die Beschichtung 36 sind in Figur 7 gezeigt. Eine Beschichtung mit geringem E mit Titandioxidschichten weirde im wesentlichen dieselbe optische Leistung haben. Das Nioboxidsystem kann jedoch etwa dreimal schneller als das Titandioxidsystem aufgebracht werden. Die Beschichtung mit geringem E kann auch Gold oder Kupfer für die Metallschicht 38 einsetzen. Die Dicke der Schicht 38 kann zwischen etwa 5 und 25 nm betragen, abhängig von der Metallschicht, den Materialien 40 und 42 und der gewünschten optischen Leistung.
Durch gleichstromreaktives Sputtern in einer Inline-Sputtermaschine können viele Arten von optischen Mehrlagenbeschichtungen abgeschieden werden. Diese können verschiedene antireflektierende Beschichtungen, dielektrische Mehrschichtspiegel und Bandpassfilter umfassen. Dielektrische Mehrschichtreflektoren weisen eine Vielzahl von abwechselnd angebrachten Materialien mit hohen und geringen Reflexionsindices auf, die eine optische Dicke von etwa einer Viertel Wellenlänge bei der Wellenlänge haben, bei der die maximale Reflexion gewünscht wird. Bandpassfilter können dielektrische Mehrschichtreflektoren und eine oder mehrere Schichten mit einer optischen Dicke von etwa einer halben Wellenlänge aufweisen. Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß für den Fall, bei dem Beschichtungen eine oder mehrere Schichten mit einem Brechungsindex von etwa 2,35 erfordern soiitenu bevorzugt Nioboxid statt Titandioxid verwendet werden kannu um die Geschwindigkeit des Auftragprozesses zu erhöhen.
Die weiter oben geschilderten Ausführungsbeispiele wurden so beschrieben, daß sie Nioboxid (Nb&sub2;O&sub5;) umfassen. Es ist aber denen, die den Stand der Technik kennen, klar, daß diese Schichten auch verschiedene Unteroxide von Niob umfassen können. Es ist auch erkennbar, daß bestimmte Verunreinigungen oder Dotierungsmittel in der Nioboxidschicht aufgenommen sein können, um die Leitfähigkeit der Nioboxidschicht und möglicherweise auch die Sputtergeschwindigkeit zu erhöhen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer optischen Beschichtung auf einer Oberfläche (14,26,44), das ein Sputtern von Nioboxid zur Ausbildung wenigstens eines Films (16,20;30,34;40,42) der optischen Beschichtung umfaßt, dadurch gekennzelchnet, daß wenigstens ein Film (16,20;30,34;40,42) des Nioboxids mittels eines Inline-Sputtergerätes gleichstromreaktiv durch ein Magnetron gesputtert wird und einen Brechungsindex aufweist, der gleich oder größer als 2,3 bei einer Wellenlänge von 700 Nanometem oder kleiner ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des reaktiven Magnetronsputterns des Nioboxids den Schritt des Sputterns wenigstens eines Filmes (16,20;30,34;40,42) von Nioboxid, der im wesentlichen nicht-absorbierend für sichtbares Licht ist, umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner den Schritt des Formens wenigstens einer anderen Schicht (12,18;28,32) umfaßt, die einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der des gesputterten Nioboxides ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3 zur Ausbildung einer antireflektierenden Beschichtung, die wenigstens vier im wesentlichen für sichtbares Licht transparente Schichten auf der Oberfläche (14,24,26) aufweist, bei dem der Schritt des Ausbildens dieser wenigstens einen anderen Schicht das Ablagern einer Schicht umfaßt, die am weitesten von der Oberfläche (14,24,26) entfernt ist und eine optische Dicke von etwa 1/4 Wellenlänge bei einer Wellenlänge von ungefähr 520 Nanometern aufweist, und bei dem der Schritt des gleichstromreaktiven Magnetron-Sputterns von Nioboxid das reaktive Magnetron-Sputtern von Nioboxid zur Ausbildung einer Schicht (20,30) zwischen dieser Oberfläche (14,24,26) und der am weitesten entfernten Schicht umfaßt und diese Nioboxidschicht eine optische Dicke zwischen etwa 112 Wellenlänge und 6/10 einer Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 Nanometern aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 2 zur Ausbildung einer antireflektierenden Beschichtung mit vier Schichten, die im wesentlichen für sichtbares Licht transparent sind, auf der Oberfläche (14,24,26), wobei die Schichten aufeinanderfolgend in numerischer Abfolge, beginnend mit der Schichtu die am weitesten von der Oberfläche (14,24,26) entfernt ist als die erste, zweite, dritte und vierte Schicht bezeichnet werden und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: reaktives Magnetronsputtern von Nioboxid auf der Oberfläche (14,24,26) zur Ausbildung der vierten Schicht (20), Ablagern einer Schicht mit einem Brechungsindex geringer als der des gesputterten Nioboxids auf der vierten Schicht zur Ausbildung der dritten Schicht (18), reaktives Magnetronsputtern von Nioboxid auf der dritten Schicht zur Ausbildung der zweiten Schicht (16), und Ablagern einer anderen Schicht auf der zweiten Schicht, wobei die andere Schicht einen Brechungsindex geringer als der des gesputterten Nioboxids zur Ausbildung der ersten Schicht aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Oberfläche ein Metallsubstrat (24) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Oberfläche ein Glassubstrat (14,26) ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, bei dem die zumindest eine andere Schicht (12,18;28,32) Siliziumdioxid aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ferner die Schritte des Ausbildens wenigstens einer transparenten, dielektrischen Schicht (28), die der Schicht (30) benachbart ist, welche das Nioboxid umfaßt, und die einen Brechungsindex unterschiedlich zu dem des Nioboxid aufweist, und des Ausbildens einer Metallschicht (24) als die an diese dielektrische Schicht (28) anschließende Oberfläche vorgesehen sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Beschichtung eine reflektierende Beschichtung ist und die dielektrische Schicht (28) einen Brechungsindex aufweist, der geringer als der von Nioboxid ist, und bei dem die dielektrische Schicht (28) und die Schicht (30), welche das Nioboxid aufweist, jeweils eine optische Dicke von etwa 1/4 Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 510 Nanometern aufweisen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Metallschicht (24) eine Aluminiumschicht umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Oberfläche eine Aluminiumschicht und die Beschichtung eine reflektierende Beschichtung ist, und bei dem zumindest vier Schichten auf der Aluminiumschicht (24) abgelagert werden, wobei die vier Schichten eine erste Nioboxidschicht (34), die am weitesten von der Aluminiumschicht (24) entfernt ist, eine zweite Nioboxidschicht (30) und zwei dielektrische Schichten (28,32), die einen Brechungsindex geringer als Nioboxid aufweisen, umfassen, wobei eine dieser dielektrischen Schichten (32) zwischen der ersten und der zweiten Nioboxidschicht und die zweite dielektrische Schicht (28) zwischen der zweiten Nioboxidschicht (30) und der Aluminiumschicht (24) liegen, und wobei jede der vier Schichten eine optische Dicke von etwa 1/4 Wellenlänge bei einer Wellenlänge von 510 Nanometern aufweist.

13. Verfahren nach einen der Ansprüche 9 bis 12, bei dem zumindest eine dielektrische Schicht (28,32) Siliziumdioxid aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Oberfläche ein Substrat ist und vier Schichten, die im wesentlichen transparent für sichtbares Licht sind, auf dem Substrat (14) abgelagert sind, die, aufeinanderfolgend in numerischer Abfolge, beginnend mit der Schicht, die vom Substrat (14) am weitesten entfernt ist, als die erste, zweite, dritte und vierte Schicht bezeichnet werden, wobei die zweite (16) und die vierte (20) Schicht Schichten aus reaktiv Magnetron-gesputtertern Nioboxid sindv die dritte Schicht (18) einen Brechungsindex geringer als Nioboxid aufweist, die erste Schicht (12) einen Brechungsindex geringer als das Substrat (14) und eine optische Dicke von etwa 1/4 Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 nm aufweist, die zweite Schicht (16) eine optische Dicke zwischen etwa 112 und 6/10 einer Wellenlänge bei einer Wellenlänge von etwa 520 Nanometern aufweist, und die dritte (18) sowie die vierte (20) Schicht eine optische Gesamtdicke geringer als die optische Dicke der ersten Schicht (12) aufweisen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die dritte (18) und die vierte (20) Schicht deutlich unterschiedliche optische Dicken aufweisen.