DE1228489B - Process for the production of thin, in the visible wavelength range practically absorption-free oxide layers for optical purposes by vapor deposition in a vacuum - Google Patents
Process for the production of thin, in the visible wavelength range practically absorption-free oxide layers for optical purposes by vapor deposition in a vacuumInfo
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Description
Verfahren zum Herstellen dünner, im sichtbaren Wellenlängengebiet praktisch. absorptionsfreier Oxydschichten für optische Zwecke durch Aufdampfen im Vakuum Dünn-e Oxydschichten werden in der Technik in großem Umfang als Schutzschichten und als Schichten für optische Zwecke verwendet. Als Schutzschichten dienen sie dazu, empfindliche Oberflächen von Körpern, z. B. von Präzisionsteilen der Feinwerktechnik, von Linsen, Oberflächenspiegeln u. dgl., Cregen Korrosion und mechanische Beschädigung zu schützen. In der optischen Industrie werden Oxydschichten darüber hinaus als hoch- und niederbrechende Schichten für reflexionsvermindernde Beläge, weiter für Interferenzfilter, Strahlenteiler, Wärmefilter, Kaltlichtspiegel, Beläge für Brillengläser u. dgl. gebraucht. Die mechanischen und optischen Eigenschaften solcher Oxyds,chichten hängen nicht nur von der Art des aufgebrachten Oxyds, sondern in, sehr starkem Maße auch von der Art des Aufbringverfahrens ab.Process for the production of thin layers in the visible wavelength range practically. absorption-free oxide layers for optical purposes by vapor deposition In the vacuum thin oxide layers are used in technology to a large extent as protective layers and used as layers for optical purposes. They serve as protective layers in addition, sensitive surfaces of bodies, e.g. B. of precision parts in precision engineering, of lenses, surface mirrors and the like, Cregen corrosion and mechanical damage to protect. In the optical industry, oxide layers are also used as high and low refractive layers for anti-reflective coatings, further for Interference filters, beam splitters, heat filters, cold light mirrors, coatings for spectacle lenses and the like used. Layer the mechanical and optical properties of such oxides depend not only on the type of oxide applied, but to a very large extent also depends on the type of application process.
Bekannt ist die Herstellung von Oxydschichten durch direktes Aufdampfen oxydischer AusgangssubstanzenimVakuumundKondensationderDämpfe auf den zu belegenden Unterlagen. Dieses Verfahren hat für viele- optische Zwecke den Nachteil, daß die meisten Oxyde bei Verdampfen und Kondensation im Vakuum absorbi#erende Schichten ergeben, auch dann, wenn als Ausgangssubstanzen an sich absorptionsfreie Oxyde. verwendet werden. Vermutlich ist dies darauf zurückzuführen, daß das Vakuum auf die meisten Oxyde bei hoher Temperatur reduzierend wirkt und daß - dies ist eine durchschnittlich gültige Regel - die nicht abgesättigten Oxyde meist optische Absorption aufweisen. Davon gibt es nur einige wenige Ausnahmen: z. B. lassen sich Nioboxyd und Ceroxyd im Vakuum verdampfen, wobei man absorptionsfreie Schichten erhält.The production of oxide layers by direct vapor deposition of oxidic starting substances in a vacuum and condensation of the vapors on the documents to be covered is known. For many optical purposes, this process has the disadvantage that most oxides result in absorbent layers on evaporation and condensation in a vacuum, even if oxides are actually absorption-free as starting substances. be used. Presumably this is due to the fact that the vacuum has a reducing effect on most oxides at high temperature and that - this is an average valid rule - the unsaturated oxides mostly show optical absorption. There are only a few exceptions to this: B. niobium oxide and cerium oxide can be evaporated in vacuo, resulting in absorption-free layers.
Um diese Schwierigkeiten der Herstellung absorptionsfrei,er Oxydschichten zu umgehen, sind weitere Verfahren entwickelt worden. Es ist bekannt, absorptionsfreie Metalloxydschichten durch Aufdampfen absorbierender Schichten und anschließende Oxydation derselben oder durch Kathodenzerstäubung der betreffenden Metalle in Sauerstoff herzustellen (vgl. hierzu auch die Arbeit von K. H a m in e r, »Steigerung der Glasreflexion durch Metalloxydschichten« in »Optik« 3, Heft 5/6, 1948, S. 495).In order to circumvent these difficulties in manufacturing the oxide layers without absorption, further processes have been developed. It is known to produce absorption-free metal oxide layers by vapor deposition of absorbent layers and subsequent oxidation of the same or by cathode sputtering of the metals in question in oxygen (cf. also the work by K. H am in er, "Increase in glass reflection through metal oxide layers" in "Optics" 3 , No. 5/6, 1948, p. 495).
Ein weiteres bekanntes Verfahren ist das Aufdampfen der Ausgangssub#stanzen in oxydierender Atmosphäre.Another known method is the vapor deposition of the starting substances in an oxidizing atmosphere.
Für die fabrikationsmäßige Herstellung dünner Oxydschichten haben die bekannten Verfahren den Nachteil, daß sie zeitraubend sind, so daß Vielschidlitsysteme, z. B. Interferenz-Wärmefilter und Kaltlichtspiegel (die oft aus 20 bis 30 Einzelschichten bestehen), in der Herstellung ziemlich kostspielig werden.For the fabrication of thin oxide layers, the known methods have the disadvantage that they are time-consuming, so that Vielschidlitsysteme, z. B. interference heat filters and cold light mirrors (which often consist of 20 to 30 individual layers), are quite expensive to manufacture.
Im Fall der bekannten Oxydation absorbierender Schichten müssen nämlich die Einzelschichten gesondert (oder bestenfalls nur ganz wenige Einzelschichten gemeinsam) oxydiert werden, weil der Sauerstoff durch dickere Schichtpakete nicht genügend hindurchdiffundiert. Auch bei dünneren Schichtpaketen geht die Oxydation nur sehr träge vor sich. Bei der nachträglichen Oxydation ändern die Schichten außerdem ihre Dicke. Die Einhaltung genauer Schichtdickenbeziehungen, die für Interferenzsysteme unerläßlich ist, wird dadurch sehr erschwert. Ein weiterer Nachteil- dieses bekannten Verfahrens liegt darin, daß man viele Körper, auf welche die dünn-en Schichten aufgebracht werden sollen, z. B. verkittete Linsensysteme, nicht auf die für die Oxydation erforderlichen hohen Temperaturen erhitzen darf.In the case of the known oxidation of absorbent layers, namely the individual layers separately (or at best only a very few individual layers together) are oxidized because the oxygen cannot be absorbed by thicker layers diffused through enough. Oxidation also works with thinner layers just very sluggishly in front of you. In the case of subsequent oxidation, the layers also change their thickness. The adherence to exact layer thickness relationships that are necessary for interference systems is indispensable is made very difficult. Another disadvantage- this well-known The process consists in the fact that there are many bodies on which the thin layers are applied should be, z. B. cemented lens systems, not on those required for the oxidation high temperatures.
Das andere bekannte Verfahren, die Kathodenzerstäubung in Sauerstoff, ist schon an sich sehr zeitraubend und führt ebenso zu einer oft unzulässigen Erwärmung der zu belegenden Unterlagen. Auch weisen die durch Kathodenzerstäubung hergestellten Schichten häufig stärkeres Streulicht als die im Aufdampfverfahren hergestellten Schichten aus denselben Schichtmaterialien auf und sind aus diesem Grund nicht überall einsetzbar.The other well-known process, cathodic sputtering in oxygen, is in itself very time-consuming and also often leads to inadmissible heating the documents to be documented. Also show those produced by sputtering Layers often have stronger scattered light than those produced by vapor deposition Layers made of the same layered materials and for this reason are not everywhere applicable.
Nach den besten bisher zur Verfügung stehenden Verfahren wurden z. B. für die Herstellung eines aus 25 Einzelschichten aus abwechselnd hoch- und niederbrechenden Schichten aus SiO, und TiO, aufgebauten Kaltlichtspieg"els, wie er z. B. für Kinoprojcktoren gebraucht wird, etwa 6 bis 8 Stunden- im Vakuum-Aufdampfverfahren benötigt, wenn die Schichten hart und haftfest und hinreichend absorptionsfrei sein sollten.According to the best methods available so far, z. B. for the production of a cold light mirror made up of 25 individual layers of alternating high and low refractive index layers of SiO and TiO, as it is used for cinema projectors, takes about 6 to 8 hours in a vacuum vapor deposition process, if the layers should be hard and adherent and sufficiently free of absorption.
Vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum Herstellen dünner, im sichtbaren Wellenlängengebiet praktisch absorptionsfreier Oxydschichten für optische Zwecke, insbesondere auf Unterlagen, auf Glas, durch Aufdampfen oxydischer und/ oder oxydlerbarer Substanzen im Vakuum, gegebenenfalls in Gegenwart einer oxydierenden Atmosphäre, das dadurch gekennzeichnet ist, daß gleichzeitig mit, den oxydischen und/oder oxydierbaren Substanzen ein oder mehrere Elemente und/oder Oxyde aus der Gruppe der Seltenen Erden. (einschließlich Yttrium, Lanthan und Cer) aufgedampft werden.The present invention relates to a new method of manufacture thin oxide layers practically absorption-free in the visible wavelength range for optical purposes, in particular on substrates, on glass, by vapor deposition of oxidic and / or oxidizable substances in vacuo, optionally in the presence of an oxidizing one Atmosphere, which is characterized by being at the same time as the oxidic and / or oxidizable substances one or more elements and / or oxides from the Rare earth group. (including yttrium, lanthanum and cerium) evaporated will.
Nach diesem Verfahren ist es möglich, harte und haftfeste Oxydschicht:en mit der den verwendeten Schichtsubstanzcn zukommenden geringstmöglichen Absorption in sehr viel kürzerrr Zedt als nach den bekannten. Verfahren herzustellen, weil bei erfindungscemäßem Vorgehenentweder überhaupt keine, eigene Nachoxydation in oxydierender Atmosphäre erforderlichist oder aber, wenn eine solche nötig ist, diese sich (im Gegensatz zu den bekannten. Schichttempr,rungsverfahren) innerhalb :einer kurzen Zeitspanne (oft augenblicklich) vollzieht. Das Aufdampfen kann mit relativ großerAufdampfgeschwindigkeit durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren. gibt jetzt die Möglichkeit, nicht nur einigwenige Oxyde, dir, bisher eine Ausnahme, von der allgemeinen Regelhildeten, wie z. B. reines Ceroxyd, absorptionsarm. oder absorptionsfrei aufzudampfen, sonde.rn auch andere bekannte Oxyde, deren Aufdampfung im Vakuum ohne Reduktion an sich nicht möglich ist, für denselben Zweck zu benutzen.With this method it is possible to create a hard and adhesive oxide layer with the lowest possible absorption due to the layer substances used in much shorter Zedt than after the known ones. Process to manufacture because with the procedure according to the invention either no post-oxidation in oxidizing atmosphere is required or, if one is necessary, this (in contrast to the well-known. shift temperature methods) within: one for a short period of time (often instantaneously). The vapor deposition can with relative high evaporation rate. The inventive method. now gives you the opportunity, not just a few oxides, to you, so far an exception, from the general rules, such as B. pure cerium oxide, low absorption. or to vaporize absorption-free, sonde.rn also other known oxides, their vaporization in a vacuum without reduction per se is not possible to use for the same purpose.
Es ist zwar zur Herstellung von Oxydschichten mit hoher Dielektrizitätskonstante für Kondensatoren ein Verfahren bekanntgeworden, bei welchem Titan auf eine Trägerunterlage, insbesondere aus, Nickel, in sehr dünner Schicht aufgebracht und zusammen mit dieser Trägerunterlage einer Temperatur von etwa 1000' C für etwa 15 Minuten bei vermindertem Luftzutritt ausgesetzt wixd, so daß sich eine kohärente Schicht von Titandioxyd m Kristallform bildet. Aus dieser Veröffentlichung konnte der Fachmann jedoch keinen. Hinweis für ein Verfahren zum Herstellen dünner, im sichtbaren Wellenlängengebiet praktisch absorptionsfreier Oxydschichten für optische Zwecke entnehmen. Es konnte aus dem Bekannten nicht abgeleitet werden, wie beim Aufdampfen der Schichten ein Oxydationszustand erzielt bzw. erhalten werden kann, der sonst ohne kräftige, zusätzlich anzuwendende Oxydationsmaßnahmen nicht zu erreichen ist.It is true that a method has become known for the production of oxide layers with a high dielectric constant for capacitors in which titanium is applied in a very thin layer to a support base, in particular made of nickel, and together with this support base at a temperature of about 1000 ° C. for about 15 minutes Wixd exposed to reduced air, so that a coherent layer of titanium dioxide forms in crystal form. However, the person skilled in the art could not find any from this publication. Information on a process for the production of thin, in the visible wavelength range practically absorption-free oxide layers for optical purposes. It was not possible to deduce from what was known how an oxidation state can be achieved or maintained by vapor deposition of the layers, which otherwise cannot be achieved without powerful, additional oxidation measures.
Aus einer anderen Veröffentlichung war ein Verfahren zur Herstellung von Spinndüsen bekannt, nach welchem chemische Elemente durch Kathodenzerstäubung in einem sauerstoffhaltigen. Zerstäubungsraum bereits während des Zerstäubungsvorganges in Oxyde, übergeführt und diese auf der Außenseite des Spinndüsenbodens niedergeschlagen werden, und zwar. insbesondere die Oxyde von Silizium, Titan, Zirkon, Thorium, Aluminium, Wismut, Tantal, Chrom und der Seltenen Erden. Auch daraus konnte man keine Lehre darüber entnehmen, wie bei der Herstellung von Oxydschichten durch Aufdampfung die Entstehuno, absorbierender Schichten verhindert werden kann.From another publication a method for the production of spinnerets was known, according to which chemical elements by cathode sputtering in an oxygen-containing. The atomization chamber is converted into oxides during the atomization process and these are deposited on the outside of the spinneret base, namely . in particular the oxides of silicon, titanium, zirconium, thorium, aluminum, bismuth, tantalum, chromium and rare earths. From this, too, one could not infer any teaching about how the formation of absorbent layers can be prevented during the production of oxide layers by vapor deposition.
Nach weiteren Vorschlägen der Erfindung wird das Mischungsverhältnis zwischen den Ausgangssubstanzen und den bzigemischten Elementen bzw. Oxyden aus der Gruppe der Seltenen Erden so gewählt, daß mindestens 5 % undhöchstens 50 1/o aller in der Mischung frei, oder gebunden enthaltenen Metallatome Ceratome bzw. andere Atome aus der Gruppe der Seltenen Erden sind. Die Beimi#schung von Cer und/oder Oxyden von Cer bzw. Praseodym und/oder dessen Oxyden hat sich als besonders wirksamerwiesen.According to further proposals of the invention, the mixing ratio between the starting substances and the admixed elements or oxides from the group of rare earths is chosen so that at least 5 % and at most 50 1 / o of all free or bound metal atoms contained in the mixture, cerium atoms or others Atoms are from the group of rare earths. The admixture of cerium and / or oxides of cerium or praseodymium and / or its oxides has proven to be particularly effective.
Die Wirkung der Erfindung ist jedoch nicht -so zu verstehen, daß, weil ein. absorptionsfrei aufdampfbares Oxyd, z. B. Ceroxyd, der Ausgangssubstanz beigemischt ist, nun eben die Gesamtabsorption gerade entsprechend der Verdünnung durch die beigemischte absorptionsfreie Komponente geringer ist. Vielmehr führt die Beimischung dazu, daß auch die an sich bisher nicht ohne störende Absorption aufdampfbaren Komponenten der Ausgangssubstanz ein Kondensat von wesentlich geringerer Absorption als bisher bekannt er,- geben, d. h., es wird anscheinend deren Reduktion vermieden oder während des Aufdampfens eineerwünschte Oxydation erzielt bzw. die Oxydationsgeschwindigkeit wesentlich beschleunigt.However, the effect of the invention is not to be understood in such a way that because a. Oxide that can be vaporized without absorption, e.g. B. cerium oxide, the starting substance is mixed in, now the total absorption just corresponds to the dilution is lower due to the added absorption-free component. Rather, it leads the admixture to it, that also the not so far not without disturbing absorption Vaporizable components of the starting substance produce a much lower condensate Absorption as previously known he, - give, d. i.e., it will appear to be their reduction avoided or achieved a desired oxidation during vapor deposition or the The rate of oxidation is significantly accelerated.
Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen erläutert. Es werden im sichtbaren Spe#ktralb,ereich praktisch völlig absorptionsfreie harte und haftfeste Schichten hohen Brechung-sindex auf Glasunterlagen erhalten, indem ein Gemisch, bestehend aus einem Oxyd des Titans, z. B. TiO, und einem Oxyd des Cers, z. B. Co02 oder Ce20., im molekularen Verhältnis von 1: 1 bis 8: 1 im Vakuum (10-5 Torr) verdampft und auf den Unterlagen niedergeschlagen wird. Dieses Gemisch verdampft im Wolframtiegel bei Temperaturen von etwa 1700 bis 21001 C ohne Schwierigkeiten. Überraschend ist, daß im Sichtbaren absorptionsfreie (also nach herrschender Ansicht maximal mit Sauerstoff abgesättigte) Oxydschichten erhalten, werden, während das gleiche Oxyd, des Titans in Abwesenheit des Ce-rs oder der obenerwähnten Elemente bzw. deren Oxyde unter sonst gleichen Aufdampfbedingungen absorbierende Schichten ergibt. Eine solche Absorption im Sichtbaren ergab sich bisher sogar auch dann, wenn die Ausgangssubstanzeus reinem TiO, bestand. Die Wirkung des zugesetzten Cers ist möglicherweise dadurch zu erklären, daß es die Bildung von TiO fördert, wobei ZD 2 ein eventueller Bedarf an Sauerstoff durch Desorption (insbesondere, durch den an der Reziplentenwand stets edsorbierten Wasserdampf) gedeckt wird. Das #erfindungsgemäße Verfahren liefert gleichermaß-en bei der Verdampfung von Ti023 TiO und (mit einer kurzen Nachoxydation) sogar von metallischem Titan absorptionsfreie Schichten, unabhängig davon, ob Cer bzw. die anderen erwähnten Elemente. in metallischer Form oder in Form von Oxyden zugemischt werden.The invention is illustrated below using examples. In the visible range, hard and adhesive layers with high refraction properties that are practically completely free of absorption are obtained on glass substrates by adding a mixture consisting of an oxide of titanium, e.g. B. TiO, and an oxide of cerium, e.g. B. Co02 or Ce20., Evaporated in a molecular ratio of 1: 1 to 8: 1 in a vacuum (10-5 Torr) and deposited on the documents. This mixture evaporates in the tungsten crucible at temperatures of around 1700 to 21001 C without difficulty. It is surprising that in the visible non-absorption (i.e., according to the prevailing view, maximally saturated with oxygen) oxide layers are obtained, while the same oxide of titanium in the absence of Ce or the above-mentioned elements or their oxides results in absorbent layers under otherwise identical vapor deposition conditions . Such an absorption in the visible has so far even occurred when the starting substance consisted of pure TiO. The effect of the added cerium can possibly be explained by the fact that it promotes the formation of TiO, with ZD 2 a possible need for oxygen being covered by desorption (in particular by the water vapor that is always desorbed on the recipient wall). The method according to the invention provides absorption-free layers in the evaporation of TiO23 TiO and (with a brief post-oxidation) even of metallic titanium, regardless of whether cerium or the other mentioned elements. be admixed in metallic form or in the form of oxides.
Weitere Ausführungsbeispiele sind in nachstehender Tabelle zusammengefaßt. Die angegebenen Zahlenwerte stellen Richtlinien dar; der Fachmann kann leicht entscheiden, von welchen dieser Werte er in Anpassung an etwaige besondere Verhältnisse abweichen kann. Variabel ist, wie der Fachmann weiß, z. B. die Verdampfungstemperatur je nach der erwünschten Verdampfungsgeschwindigkeit, wobei letztere wiederum unter anderem vom gewünschten Brechungsindex der Schicht abhängt. Schnelles Aufdampfen ergibt regelmäßig höher brechende Schichten als langsames Aufdampfen. Variabel ist selbstverständlich auch die Verdampfungszeit, und zwar nicht nur mit Rücksicht auf die einzuhaltende Verdampfungsgeschwindigkeit, sondern natürlich auch in bezug auf die zu erzielende Schichtchicke.Further exemplary embodiments are summarized in the table below. The figures given are guidelines; the person skilled in the art can easily decide from which of these values he can deviate in adaptation to any special circumstances. It is variable, as the person skilled in the art knows, e.g. B. the evaporation temperature depending on the desired evaporation rate, the latter in turn depending, among other things, on the desired refractive index of the layer. Fast vapor deposition regularly results in higher refractive index layers than slow vapor deposition. The evaporation time is of course also variable, not only with regard to the evaporation rate to be observed, but of course also with regard to the layer chic to be achieved.
Variabel ist fern-er der Gasdruck im Rezipienten. Der Fachmann weiß, daß er den Teildruck jener Gase, die keine oxydierende Wirkung ausübten, möglichst gering halten muß. Er variiert daher mit Hilfe geeignete.r Dosiereinrichtungen nur den, Teildruck jener Gase (02, H20), welche diese Oxydation bewirken können. Variabel sind schließlich insbesondere auch die Mischungwerhältnisse, weil es keine sdharfen Grenzen der Misdhungsverhältnisse gibt, bei den-en die nach der Erfindung beabsichtigte Wirkung plötzlich einsetzen würde. Vielmehr gibt es von den Schichten, die aus den Ausgangssubstanzen allein ohne Beimischung von Elementen, oder Oxyden aus der Gruppe der Seltenen Erden gewonnen werden, bis zu Schichten, bei denen die beigemischte Komponente weitaus überwiegt, also praktisch Schichten, aus den Oxyden der verwendeten Seltenen Erden, gewonnen werden, alle übergänge. Entsprechend verändern sich auch die Eigenschaften der erhaltenen Schichten, wobei aber, wie schon erwähnt, die grundliegende Erkenntnis der Erfindung darin besteht, daß die optische Absorption der aus der Verdampfung und Kondensation der angegebenen. Gemische erhaltenen Schichten wesentlich geringer ist, als allein aus den Mischungsverhältnissen zu erwarten wäre. Das kommt dadurch zum Ausdruck, daß eine Beimischung von mehr als 5 Molprozent in vielen der angeführten Beispielsfälle praktisch völlig absorptionsfreie Schichten ergibt, während beieiner bloßen Verdünnung der aus den Ausgangssubstanzen allein erhältlichen Schichten mit einem absorptionsfreien Oxyd der Seltenen Erden bei einer Verdünnung von 50 % immer noch die Hälfte der ursprünglichen Ab- sorption, die gewöhnlich in der Größenordnung einiger Prozente bis zu 30% des einfallenden Lichtes bei A/4-Schichten betTägt, übrigbleiben würde.The gas pressure in the recipient is also variable. The person skilled in the art knows that he must keep the partial pressure of those gases which do not exert an oxidizing effect as low as possible. Therefore, with the help of suitable metering devices, it only varies the partial pressure of those gases (02, H20) which can cause this oxidation. Finally, the mixing ratios in particular are also variable, because there are no strict limits to the mixing ratios at which the effect intended according to the invention would suddenly set in. Rather, there are layers that are obtained from the starting substances alone without the addition of elements or oxides from the group of rare earths, to layers in which the added components predominate, i.e. practically layers made from the oxides of the rare earths used Earth, be won, all transitions. The properties of the layers obtained also change correspondingly, but, as already mentioned, the basic knowledge of the invention consists in the fact that the optical absorption of the specified from the evaporation and condensation. Mixtures obtained layers is much lower than would be expected from the mixing ratios alone. This is expressed by the fact that an admixture of more than 5 mol percent results in almost completely absorption-free layers in many of the examples cited, while with a simple dilution of the layers obtainable from the starting substances alone with an absorption-free rare earth oxide at a dilution of 50 % always even half of the original waste absorption, usually up to 30% of the incident light at A betTägt in the order of several percents / 4 layers, would be left.
Es scheint die Regel zu gelten, daß das erfindungsgemäße Verfahren besonders für die Herstellung von Schichten solcher Oxyde geeignet ist, deren Bildungswärme (bezogen pro Sauerstoffatom im Molekül) kleiner als die Bilduagswärine von Ceroxyd (Ce0.) ist.The rule seems to apply that the process according to the invention is particularly suitable for the production of layers of such oxides whose heat of formation (related to each oxygen atom in the molecule) smaller than the image values of cerium oxide (Ce0.) Is.
In der folgenden Tabelle sind angeführt unter a) unter den Ziffern 1 bis 8 Elemente bzw. Oxyde ans der Gruppe der Seltenen Erden (einschließlich Yttr#ium, Lantan und Cer), die den Ausgangssubstanzen beigemischt werden können. Häufig ist es bequein, nicht reine Elemente oder Oxyde aus der besagten Gruppe für die Beimischung zu den Ausgangssubstanzen zu verwenden, weil diese schwer ei'hältlich #sind. Vielmehr können ohne weiteres die handelsüblichen Seltenen-Erden-Mischungen, (einschließlich der Yttererden) verwendet werden, deren übliche prozentuelle Zusammensetzungin der Tabelle angegeben ist. Diese unter a) angegebenen Gehalte sind nicht mit den Molprozentangaben über den Zusatz der Seltenen Erden zu den Ausgangssub#stanzen zu verwechseln.In the following table are listed under a) under the numbers 1 to 8 elements or oxides of the group of rare earths (including yttrium, lantanum and cerium), which can be added to the starting substances. It is often convenient to use non-pure elements or oxides from the said group for admixture with the starting substances, because these are difficult to obtain. Rather, the commercially available rare earth mixtures (including the ytter earths) can be used without further ado, the usual percentage composition of which is given in the table. These contents given under a) are not to be confused with the molar percentages on the addition of the rare earths to the starting substances.
Die Tabelle gibt weiter unter b) Beispiele an-, und zwar in Zeile 1 geeignete Ausgangssubstanz#en; in Zeile 2 handelsübliche Seltene-Erden-Gemische, welche für die Beimischung in Frage kommen bzw. erprobt sind, wobei die Angabe 1 bis 8 bedeutet, daß jede der Stoffmischungen, die im Abschnitta) angegeben sind, genommen werden kann; in Zeile 3 brauchbare Verdampfungstemperaturen für die genannten Stoffe; in Zeile 4 geeignete Materialien für die Verdampfungsschiffeh,en, wobei in den Spalten 1 und 2 noch zu unterscheiden ist, ob als Ausgangssubstanzen gemäß Zeile 1 Oxyde oder Metalle genommen werden. Der Fachmann weiß auch, daß manche der genannten Substanzen ebensogut wie durch therm-isch-e Ve-rdampfung durch das dem Vakuuniverdampfungsverfahren bezüglich vieler Anwendungen äquivalente Kathodenzerstäubungsverfahren in, Dampfforin übergeführt und anschließend auf den Unterlagen kondensiert werden könnten.The table also gives examples under b) , specifically in line 1 suitable starting substances; in line 2, commercially available rare earth mixtures which are suitable for admixture or which have been tried and tested, whereby the information 1 to 8 means that any of the substance mixtures specified in section a) can be used; in line 3 useful evaporation temperatures for the substances mentioned; in line 4 suitable materials for the evaporation ships, whereby in columns 1 and 2 it is still to be distinguished whether oxides or metals are taken as starting substances according to line 1. The person skilled in the art also knows that some of the substances mentioned could be converted into vapor form just as well as by thermal evaporation by the cathode sputtering process, which is equivalent to the vacuum evaporation process with regard to many applications, and then condensed on the substrates.
Unter c) der Tabelle, sind drei verschiedene Varianten (cc, fl, y) der Aufdampfung bei der Herstellung von Schichten nach der Erfindung angegeben. Es b#e, stätigt sich hierbei die an sich bekannte Erfahrung, daß Aufdampfen etwa bei Raumtemperatur des Trägers und üblichem Vakuum (Variante ß) durch Aufdampfen in höherem Vakuum, aber bei erhöhter Temperatur der Unterlage (Variantex) ersetzt werden kann; desgleichen erfordert eine kürzere Aufdampfzeit (Variante y) eine Nachbehandlung bei etwas erhöhter Temperatur.Under c) of the table, three different variants (cc, fl, y) of vapor deposition in the production of layers according to the invention are given. It b # e, this confirms the per se known experience that vapor deposition at about room temperature of the carrier and the usual vacuum (variant β) can be replaced by vapor deposition in a higher vacuum, but at a higher temperature of the substrate (Variantex); likewise, a shorter vapor deposition time (variant y) requires an aftertreatment at a somewhat elevated temperature.
Abschnitt d) der nachstehenden Tabelle führt schließlich Beispiele füreine Durchführun.g des Verfahrens an, gemäß welchem die Ausgangssubstanzen getrennt verdampft werden.Section d) of the table below finally gives examples for carrying out the process, according to which the starting substances are evaporated separately.
Angeführt sind im Abschnitt d) Metalle, die als Ausgangssubstanzen
geeignet sind, und die Temperaturen, bei denen sie aus Kohleschiffchen verdampft
werden können; weiter sind angegeben für die Verdampfung aus Molybdänschiffehen
geeignete Metalle und Oxyde. a) 1. Cer-Mischmetall. etwa 50 % Ce,
20 1/o Nd, 5 % Pr, 25 % La + andere Seltene Erden; 2. Ceroxyd:
99,9 1/o CeO.; 3. Ceritoxyd: etwa 50 % Ce023 20 % La20.,
5 % Pr203, 20 % Nd203, 5 % andere Oxyde; 4. Lanthanoxyd: 99,4% La20,;
5. Neodymoxyd: etwa 90 % Nd.O., 8 % Pr6011, 2 % SM203;
6. Praseodymoxyd: etwa 97 % Pr,01" 0,2 % Nd203, 0,25 1/o Ce02,
Rest La20"; 7. Samariumoxyd: etwa 95 % Sin203, 2% Pr2031 1 %, Nd203;
8. Didymoxyd: etwa 40 % Nd20.31 10 % Pr20", 13 Vo La20.. Rest
andere Oxyde.
Die gesamte Anordnung ist auf einer Grundplatte 13. aufgebaut. Die vakuumdichte Abdichtung zwisehen der Glocke des Rezipienten und der Grundplatte erfolgt durch die Dichtung 14.The entire arrangement is built on a base plate 13 . The vacuum-tight seal between the bell of the recipient and the base plate is made by the seal 14.
Für manche Ausführungsbeispiele ist der Einlaß von Sauerstoff oder ' Waseerdampf oder von atmosphärischer Luft in den Rezipienten erforderlich. Diesem Zweck dient die Gaszuleitung 15, die mittels eines Ventils 16 abgesperrt werden kann.For some embodiments of the inlet of oxygen or 'Waseerdampf or atmospheric air into the container is required. The gas supply line 15, which can be shut off by means of a valve 16, serves this purpose.
Für die Durchführung,deserfindungsgemäßen Verfahrens, nach Abschnitt d) der Tabelle sind zwei getrennte Tlegel in der Aufdampfanlage erforderlich. i Der zweite Tiegel kann in gleicher Weise wie der Tiegel 4 ün Rezipienten, angeordnetund mit eigenen Stromzuführungen versehen werden. Nachfolgend wird die Ausführunh des Verfahrens nach Abschnitt d) der Tabelle. an einem speziellen Beispiel erläutert: In der vorbeschriebenen Vakuumaufdampfanlage wird aus einem ersten Schiffchen. aus Kohlenstoff Thorium bei ein-er Temperatur von etwa 2100' C verdampft und die entstehenden Dämpfe auf der Linse 7,niedergeschlagen. (Da der Tiegel aus Kohlen, stoff besteht, kann er durch direkten Stromdurchgang erhitzt werden, ohne Verwendung einer ihn umgebenden Heizwicklung.) Gleichzeitig wird aus einem zweiten Tiegel, der in demselben Rezipilenten angeordnet ist und der aus Wolfram besteht, ein Element oder ein Oxyd aus der Gruppe der Selten-en Erden, z. B. das unter a) 1 der Tabelle genannte Cer-Mischmetall, zur Verdampfung gebracht, dessen Dämpfe sich gleichzeitig mit den Thoriumdämpfen auf der Linse niederschlagen. Es entsteht so eine Mischschicht, die jedoch unter dem Einfluß der Elemente aus der Gruppe der Seltenen, Erden bei. Anwesenheit von oxydierenden Gasen sofort in eine völlig absorptionsfreie Oxydschicht übergeht, &ie zum Teil aus Thoriumoxyd, zum Teil aus den Oxyden der verwendeten Seltenen Erden besteht. Das oxydierende Gas, z. B. Wasserdampf, wird über Leitung 15 mittels des Ventils 16 eingelassen bis zu einem Druck im Rezipienten von ungefähr 2 - 10-4 mni Hg. Die Menge der Materialien in den beiden Aufdampfschiffchen wird so bemessen, daß der Anteil der Dämpfe, au& den Oxyden der Seltenen Erden im Dampfraum 5 bis 10 Molprozent beträgt. Es ist noch nicht geklärt, worauf die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens genau beruht, ob möglicherweise auf einem katalytischen Effekt des rein oder in Form eines Oxydes zugemischten Metalls aus der Gruppe der Seltenen Erden (einschließlich Yttrium, Lanthan und Cer) oder etwa auf der Bildung besonderer Verbindungen, oder Zwischenprod-ukte im Verdampfungsmaterial bzw. in der #entstehenden Schicht. Für die technische Anwendung ist aber die Erkenntnis von Bedeutung, daß sich nach diesem Verfahrendie für die Aufdampfung an sich bekannter Oxydschichten erforderlichen Zeiten, wesentlich abkürzen lassen, wenn es darauf ankommt, Oxydschichten geringer Absorption zu erzielen.To carry out the method according to the invention according to section d) of the table, two separate parts are required in the vapor deposition system. The second crucible can be arranged in the same way as the crucible 4 in recipients and provided with its own power supply lines. The following is the implementation of the method according to section d) of the table. explained using a special example: In the vacuum evaporation system described above, a first boat becomes. Thorium evaporates from carbon at a temperature of about 2100 ° C and the resulting vapors are deposited on the lens 7. (Since the crucible is made of carbon, it can be heated by direct passage of current without the use of a heating coil surrounding it.) At the same time, a second crucible, which is arranged in the same recipient and which is made of tungsten, becomes an element or an oxide from the group of rare earths, e.g. B. the cerium mischmetal mentioned under a) 1 of the table, brought to evaporation, the vapors of which are reflected on the lens at the same time as the thorium vapors. This creates a mixed layer, which is, however, under the influence of the elements from the group of rare earths. The presence of oxidizing gases immediately changes into a completely absorption-free oxide layer, & ie consists partly of thorium oxide, partly of the oxides of the rare earths used. The oxidizing gas, e.g. B. water vapor, is admitted via line 15 by means of the valve 16 up to a pressure in the recipient of about 2 - 10-4 mni Hg. The amount of materials in the two evaporation boats is measured so that the proportion of vapors, au & the oxides of rare earths in the vapor space is 5 to 10 mole percent. It has not yet been clarified exactly what the effect of the method according to the invention is based on, whether possibly on a catalytic effect of the pure or in the form of an oxide admixed metal from the group of rare earths (including yttrium, lanthanum and cerium) or perhaps on the formation of special ones Compounds or intermediate products in the evaporation material or in the resulting layer. For technical application, however, it is important to realize that this process can be used to significantly shorten the times required for vapor deposition of known oxide layers if it is important to achieve low-absorption oxide layers.
Es hat sich oft als praktisch erwiesen, die zu verdampfenden Gemische in einem vorgängigen Schmelzverfahren herzustellen, indem ein Gemisch, z. B. aus Ti, TiO 2 und Ceroxyd (oder Cer selbst), im Vakuum geschmolzen und das erstarrte Produkt zerkleinert wird und als Ausgangsstoff für die spätere Aufdampfung dünner Sclilchten dient. In manchen Fäll-en hates sich jedoch als praktisch erwiesen, d.ie zu verdampfenden Gemische in einem vorgängigen Sublimationsverfahren herzustellen, z. B. wird ein Gemisch von Si- und Ce02-Pulver im Vakuum sublimie,rt, das Sublimationsprodukt zerkleinert und als Ausgan,gsstoff für die Aufdampfung dünner Schichten verwendet. Zur Durchführung dies-es Verfahrens wird darauf aufmerksam gemacht, daß manche der durch Sublimation erhalten-en Produkte stark pyro-.phor sind und zur Selbstentzündung neigen und daher mit Vorsicht und vorzugsweise nur in kleinen Mengen gehandhabt werden müssen. Zum Beispiel wurde dies bei einer Mischung von SiO und Ceroxyd beobachtet, die zur Herstellung von absorptionsfreien Siliziumoxydschichten diente (SiO allein gibt bei Schichtdicken, wie sie für Interferenzsysteme gebraucht werden, stark absorbierende Schichten).It has often proven convenient to use the mixtures to be evaporated to produce in a previous melting process by adding a mixture, e.g. B. off Ti, TiO 2 and cerium oxide (or cerium itself), melted in a vacuum and solidified Product is shredded and used as a starting material for later evaporation thinner Serves the purpose. In some cases, however, it has proven to be practical, i.e. to produce mixtures to be evaporated in a previous sublimation process, z. B. a mixture of Si and Ce02 powder in a vacuum sublime, rt, the sublimation product crushed and used as the starting material for the vapor deposition of thin layers. In order to carry out this procedure, attention is drawn to the fact that some of the Products obtained by sublimation are strongly pyro-phoric and self-ignite tend and therefore handled with caution and preferably only in small quantities Need to become. For example, this has been observed with a mixture of SiO and ceria, which was used to produce absorption-free silicon oxide layers (SiO alone with layer thicknesses such as those required for interference systems are highly absorbent Layers).
Gelegentlich ist es vorteilhaft, das Aufdampfen der Gemische unter gleichzeitiger Erwärmung der Unterlage durchzuführen. An sich ist das Aufdampfen von dünnen Schichten unter gleichzeitiger Erwärmung der Unterlagen schon bekannt.Occasionally it is advantageous to evaporate the mixtures under simultaneous heating of the substrate. In itself, this is vapor deposition already known of thin layers with simultaneous heating of the documents.
Bei, der Durchführung des Verfahrens findet, wie erwähnt, oft eine Oxydation des Kondensates statt, wobei der benötigte Sauerstoff auch in einer auf üblich#es Aufdampfvakuum (10-4 Torr oder besser) evakuierten Aufdampfanlage häufig in der Restgasatmosphäre in hinreichender Menge zur Verfügung steht. Wahrscheinlich stammt der benötigte Sauerstoff, wie bereits erwähnt, aus dem von den Wänden der Aufdampfanlage desorbierten Wasserdampf.When carrying out the procedure, as mentioned, there is often one Oxidation of the condensate takes place, with the required oxygen also in one usual # it evaporation vacuum (10-4 Torr or better) evacuated evaporation equipment frequently is available in sufficient quantities in the residual gas atmosphere. Probably As already mentioned, the required oxygen comes from that of the walls of the Evaporation system desorbed water vapor.
Eine künstliche Anreicherung der Restgasatmospäre mit Sauerstoff ist, wie sich gezeigt hat, oft zweckmäßig, wobei aber das Vakuum und die Aufdampfgeschwindigkeit höher gehalten werden können als bei den bekannten Verfahren dieser Art und trotzdem harte und haftfeste Schichten geringstmöglicher Absorption ohne weiteres erzielt werden.An artificial enrichment of the residual gas atmosphere with oxygen is, as has been shown, often appropriate, but the vacuum and the vapor deposition rate can be kept higher than with the known methods of this type and still hard and adhesive layers with the lowest possible absorption easily achieved will.
In einigen Fällen findet die völlige Oxydation der Schichten erst nach dem Aufdampfen auf dem Träger statt, sobald ein oxydierendes Gasgemisch (Luft) in die Aufdampfanlageeingelassen wird. Diese nachträgliche Oxydation - nachträgliche Oxydation von Schichten ist als solche bekannt - vollzieht sich, wenn bei der Aufbringung der Schichten entsprechend dem Verfahren der Erfindung vorgegangen wurde, mit sehr großer Geschwindigkeit, so daß z. B. eine nach dem Aufdampfen undurchsichtige und metallisch glänzende Schicht im Augenblick des Flutens, der Anlage mit atmosphärischer Luft und eventuell unter der zusätzlichen Wirkung einer mäßigen Temperaturerhöhung durch die vorangegangene Aufdampfung augenblicklich sich in eine völlig durchsichtige, absorptionsfreie Oxydschicht verwandelt. Auch Schichtsubstanzen, die sonst nur durch Anwendung hoher Temperaturen. und langer Temperzeiten durchoxydiert werden können, oxydieren leicht und schnell, wenn ein Element der Seltenen Erden oder deren Oxyde den VerdampfungsmateriaUen beigemischt wird.In some cases, the complete oxidation of the layers does not take place until after the vapor deposition on the carrier, as soon as an oxidizing gas mixture (air) is let into the vapor deposition system. This subsequent oxidation - subsequent oxidation of layers is known as such - takes place when the application of the layers according to the method of the invention was carried out at very high speed, so that, for. B. an opaque and metallic shining layer after the vapor deposition at the moment of flooding, the installation with atmospheric air and possibly under the additional effect of a moderate temperature increase due to the previous vapor deposition instantly turns into a completely transparent, absorption-free oxide layer. Even layer substances that would otherwise only be available through the use of high temperatures. and long tempering times, oxidize easily and quickly if an element of the rare earths or their oxides is added to the evaporation materials.
Claims (2)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH6558458A CH391198A (en) | 1958-10-30 | 1958-10-30 | Process for the production of thin oxide layers |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1228489B true DE1228489B (en) | 1966-11-10 |
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ID=4526490
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DEB52721A Pending DE1228489B (en) | 1958-10-30 | 1959-04-03 | Process for the production of thin, in the visible wavelength range practically absorption-free oxide layers for optical purposes by vapor deposition in a vacuum |
Country Status (2)
| Country | Link |
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| CH (1) | CH391198A (en) |
| DE (1) | DE1228489B (en) |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CH391198A (en) | 1965-04-30 |
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