DE19838826A1 - Optisches Element mit transparenter, kratzfester Beschichtung, Verfahren und Vorrichtung zu seiner Herstellung sowie dessen Verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit transparenter, kratzfester Beschichtung sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Herstellung und mögliche Verwendungen des optischen Elementes. Mit der Erfindung soll die Haftung einer kratzfesten, transparenten Oberflächenbeschichtung auf optischen Elementen verbessert werden. Hierfür wird auf einer Substratoberfläche ein Interferenzschichtsystem für Licht mindestens einer vorgebbaren Wellenlänge aufgebracht, das zumindest aus einer haftungsverbessernden und mindestens einer aus diamantähnlichem Kohlenstoff bestehenden Schicht gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft optische Elemente, die mit einer transparenten, kratzfesten Beschichtung Verse­ hen sind, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung. Eine bevorzugte Anwendungsmöglichkeit solcher optischen Elemente ist die als Spiegel, Fen­ ster, fokussierende und defokussierende Optiken.

Optische Elemente müssen in der Regel mit hoher Prä­ zision hergestellt werden. Dabei treten für viele Anwendungsfälle Probleme durch im Betrieb auftretende mechanische und thermische (aufgrund einer zunehmen­ den Absorption) Belastungen auf, so daß die Oberflä­ che beschädigt und die optischen Eigenschaften eines solchen Elementes zumindest verschlechtert werden können.

So werden in der Regel Laserspiegel aus Kupfer, wegen dessen guter Wärmeleitfähigkeit und hoher Reflektivi­ tät verwendet, um z. B. den Strahl eines CO₂-Lasers zu formen, umzulenken und zu fokussieren. Das Reflex­ ionsvermögen neuer Laserspiegel aus Kupfer liegt bei ca. 99%. Dieses verringert sich aber im Laufe der Zeit, insbesondere durch Oxidationsprozesse und Ver­ schmutzung (Staub). Demzufolge ist eine Reinigung der Oberflächen erforderlich, die zwangsläufig zu mecha­ nischen Beschädigungen führt, die wiederum das Refle­ xionsvermögen durch unerwünschte Streueffekte verrin­ gern und die Energieabsorption im Spiegelmaterial erhöht.

Um die mechanische Widerstandsfähigkeit der Kupfer­ oberflächen zu verbessern, sind entsprechende Be­ schichtungen erforderlich, die eine hohe Wärmeleitfä­ higkeit, hohe Transparenz und gute Haftungseigen­ schaften auf dem Kupfer erreichen müssen.

So sind Beschichtungen aus Molybdän bekannt, die zwar im Vergleich zum unbeschichteten Kupfer eine höhere Härte und demzufolge auch eine höhere Kratzfestigkeit aufweisen, jedoch das Reflexionsvermögen auf ca. (ma­ ximal) 98% verringern. Dadurch kann, insbesondere bei hohen Laserleistungen infolge der höheren Absorp­ tion, eine Zerstörung des gesamten Spiegels auftre­ ten.

Auch Beschichtungen aus bekannten dielektrischen Schichten, die die optischen Eigenschaften (z. B. Re­ flexion) zwar vertreten, sind wegen ihrer relativ geringen Härte nicht geeignet, entsprechende Spiegel wunschgemäß zu schützen.

Aus DD 268 716 A1 ist es bekannt, diamantähnliche Kohlenstoffschichten auf verschiedenen Substraten, dabei auch auf Kupfer aufzubringen. Die entsprechend aufgebrachten diamantähnlichen Kohlenstoffschichten erfüllen zwar die optischen Erfordernisse, verfügen auch über die entsprechende Härte, weisen aber eine unzureichende Haftfestigkeit, infolge der in den dia­ mantähnlichen Kohlenstoffschichten vorhandenen hohen mechanischen Spannungen auf.

Andere optische Elemente, wie Fenster, fokussierende und defokussierende Optiken (Linsen) aus anderen Sub­ stratmaterialien, weisen ähnliche Probleme auf, wobei die drei wesentlichen oben genannten Anforderungen durch bekannte verschiedene Schutzschichtaufbauten in der Regel nicht gleichzeitig erfüllt werden.

Ein weiteres Problem, das beim Aufbringen von ent­ sprechenden Schutz schichten auf solchen optischen Elementen auftritt, besteht darin, daß während des Schichtauftrages keine Spannungen im Substratmateri­ al, insbesondere durch einen unerwünschten Wärmeein­ trag entstehen dürfen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, optische Elemente mit einer kratzfesten, transparenten gut haftenden Oberflächenbeschichtung zu versehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungs­ formen und Weiterbildungen der Erfindung, ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen ge­ nannten Merkmalen.

Die erfindungsgemäßen optischen Elemente zeichnen sich dadurch aus, daß auf der Substratoberfläche des optischen Elementes ein für zumindest eine vorgebbare Lichtwellenlänge ausgelegtes Interferenzschichtsystem aufgebracht wird. Das Interferenzschichtsystem wird aus mindestens einer haftungsverbessernden Schicht und mindestens einer Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff gebildet, wobei die haftungsverbessernde Schicht unmittelbar auf der Substratoberfläche und die diamantähnliche Kohlenstoffschicht als Deck­ schicht darüber aufgebracht wird.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen solchen Schichtaufbau auf einem Substrat, das entweder kup­ ferbeschichtet oder aus reinem Kupfer besteht, aufge­ bracht wird. Ein so ausgebildetes optisches Element ist für die Anwendung als Spiegel und hier insbeson­ dere als Laserspiegel geeignet. Die haftungsverbes­ sernde Schicht kann aus Al, Aluminiumoxid oder einer Mischung davon bestehen. Das Aluminiumoxid Al_xO_y ist dabei bevorzugt mit stöchiometrischem Al₂O₃ ausgebil­ det.

Selbstverständlich können auch andere Substrate, wie z. B. ZnS, Ge, ZnSe, NaCl, KCl, KBr, (für Licht im infraroten Bereich) und CaF oder MgF (für Licht im UV-Bereich) oder Al₂O₃ (Saphir) mit einem erfindungs­ gemäßen Interferenzschichtaufbau versehen werden, wobei ein solches Interferenzschichtsystem auch aus mehr als zwei Schichten gebildet werden kann.

Andere Materialien, die für die haftungsverbessernde Schicht geeignet sind, sind Si, Mo, Ni, W, Zr, Ti, Hf, Mg, Ta, Be, Th bzw. Verbindungen oder Verbin­ dungskombinantionen davon (z. B. Oxide, Nitride, Car­ bide, Fluoride).

Das Interferenzschichtsystem, das auf dem Substrat aufgebracht werden soll, kann für die haftungsverbes­ sernde Schicht mit einer Dicke zwischen 0,1 nm und 20 nm, bevorzugt 1 nm bis 15 nm und für die diamant­ ähnliche Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von min­ destens 40 nm, wobei eine Optimierung entsprechend der Wellenlänge des verwendeten Lichtes erfolgen kann.

In einigen Fällen kann es günstig sein, ein zweites Interferenzschichtsystem direkt auf die Substratober­ fläche aufzubringen, das auch für eine andere Wellen­ länge ausgelegt sein kann.

Der Auftrag des Interferenzschichtsystemes kann vor­ teilhaft mittels lasergezündeter Lichtbogenentladung im Vakuum erfolgen, wobei verschiedene Targets für die haftungsverbessernde Schicht und ein Kohlenstoff­ target für die Ausbildung der diamantähnlichen Koh­ lenstoffschicht verwendet werden, die jeweils als Kathode geschaltet sind. Vorteilhaft wird hierfür eine walzenförmige Kathode verwendet, die aus axial voneinander getrennten Scheiben der verschiedenen Materialien gebildet ist, wie dies insbesondere in DD 279 695 B5 beschrieben ist. Es kann aber auch in et­ was einfacherer anlagentechnischer Form gearbeitet werden, wie dies in DE 39 01 401 C2 beschrieben wird.

Mit dieser Vorgehensweise können mehrere Vorteile gleichzeitig erreicht werden. Vorteilhaft ist insbe­ sondere die relativ hohe Abscheiderate für die dia­ mantähnliche Kohlenstoffschicht. Außerdem wird das zu beschichtende Substrat nur unwesentlich erwärmt und das aus verschiedenen Materialien bestehende Inter­ ferenzschichtsystem kann nacheinander in der gleichen Anlage, ohne daß ein zwischenzeitliches Fluten der Anlage zwischen dem Aufbringen des Interferenz­ schichtsystems durchgeführt werden muß, aufgebracht werden.

Die erfindungsgemäßen optischen Elemente können aber auch als Fenster, Linsen für Transmissions-Anwendun­ gen verwendet werden.

Bei der Ausbildung eines Interferenzschichtsystems auf einer Kupferoberfläche, das aus Aluminium, Alumi­ niumoxid oder einer Mischung dieser beiden, als haf­ tungsverbessernde Schicht, auf die wiederum eine dia­ mantähnliche Kohlenstoffschicht aufgebracht worden ist, besteht, kann durch geeignete Beeinflussung der jeweiligen Schichtdicken, unter Berücksichtigung der Brechungsindizes, ein Reflexionsvermögen für Licht bestimmter vorgebbarer Wellenlängen im Bereich 100% im Vergleich zur Reflektivität einer reinen Kupfer­ oberfläche erhalten werden.

Die Ausbildung des Aluminiumoxids als Bestandteil der haftungsverbessernden Schicht kann bei den bereits genannten Herstellungsverfahren durch eine gesonderte Sauerstoffquelle durch reaktive Oxidation von Alumi­ nium während der Beschichtung erreicht werden. Dabei bleibt es für die Erfindung unerheblich, ob eine vollständige Oxidation oder eine teilweise Oxidation des Aluminiums erfolgt.

Da die für die Ausbildung eines Interferenzschicht­ systems erforderlichen Dicken der einzelnen Schichten sehr klein sind, kann gleichzeitig ein weiteres Er­ fordernis erfüllt werden. Durch die geringen Schicht­ dicken wird die thermische Leitfähigkeit gegenüber dem Substratmaterial nur geringfügig beeinflußt, so daß entsprechend kleine Temperaturgradienten und dem­ zufolge auch verringerte Wärmespannungen auftreten.

Die erfindungsgemäßen optischen Elemente weisen daher die gewünschten optischen und mechanischen Eigen­ schaften, hohe Oberflächenhärte, gute Haftfestigkeit und thermische Eigenschaften auf.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie­ ben werden.

Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Beispiel einer Vorrichtung für die Her­ stellung optischer Elemente.

Beispiel 1

Für die Herstellung eines Laserspiegels aus einem Kupfersubstrat, der für einen CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm verwendet werden soll, wurde ein Interferenzschichtsystem, das aus einer Alumini­ umschicht mit einer Dicke von 0,3 nm, einer Alumini­ umoxidschicht mit einer Dicke von 2,7 nm und einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von 120 nm besteht, aufgebracht. Dabei konnte für die diamantähnliche Kohlenstoffschicht ein E-Modul von 450 GPa mit der zerstörungsfreien Meßmethode laserin­ duzierter akustischer Oberflächenwellen gemessen wer­ den, was einer Härte von ca. 456 GPa entspricht. Das Reflexionsvermögen eines solchen Laserspiegels betrug bei der genannten Wellenlänge zwischen 99,5% und 100,5% im Vergleich zur reinen Kupferoberfläche. Die Haftfestigkeit wurde über sechs Monate mittels Klebe­ band-Test nach DIN 58196/6 gemessen und konnte über diesen Zeitraum gehalten werden. Es traten keine Ab­ löseerscheinungen des Schichtaufbaus auf dem Kupfer­ substrat auf.

Auch nach dem "Gitterschnitttest" konnte keine Schichtablösung festgestellt werden.

Beispiel 2

Für die Herstellung eines ZnSe-Fensters, das für die Einkopplung eines CO₂-Lasers mit einer Wellenlänge von 10,6 µm in eine Vakuumkammer verwendet werden soll, wurde ein Interferenzschichtsystem, das aus ei­ ner Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von 4 nm und einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von 120 nm besteht, aufgebracht. Dabei konnte für die diamantähnliche Kohlenstoffschicht ein E-Mo­ dul von 450 GPa mit der zerstörungsfreien Meßmethode laserinduzierter akustischer Oberflächenwellen. Gün­ stig kann es sein, daß auf die Oberfläche des ZnSe-Fen­ sters ein zweites Interferenzschichtsystem aufge­ bracht, auf das wieder, wie erwähnt, das erste Inter­ ferenzschichtsystem aufgebracht wird.

Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel für eine Vorrichtung, mit der die erfindungsgemäßen optischen Elemente hergestellt werden können, wurde aus Über­ sichtlichkeitsgründen auf die Darstellung der übli­ cherweise verwendeten Vakuumkammer verzichtet.

Hierbei wird ein walzenförmiges Target 1 und 1' ver­ wendet, das aus den verschiedenen Materialien für die Herstellung des Interferenzschichtsystems gebildet ist. Dabei kann die Walze aus zwei verschiedenen Scheiben bestehen, wobei eine Scheibe aus Kohlenstoff mit einer Reinheit von 99,99% und die andere Scheibe aus einem Material, das für die Ausbildung der haf­ tungsverbessernden Schicht geeignet ist, besteht. Die beiden walzenförmigen Elemente, die die Targets 1 und 1' darstellen, können aber auch voneinander getrennt und jeweils einzeln drehbar angetrieben werden.

Bei diesem Beispiel wird zur Erzeugung eines Plasmas aus einer Bogenentladung eine Anode 4 verwendet, die in bevorzugter Form als Anodenschirm mit einem zen­ tralen Spalt, durch den das erzeugte Plasma austreten kann, gebildet.

In diesem Fall wird die Bogenentladung mit einem ge­ pulsten Laserstrahl 5, wie dies in DD 279 695 B5 be­ schrieben worden ist, gezündet. Nach Ausbildung der Bogenentladung, bei der das Plasma erzeugt wird, wird die Spannung reduziert, so daß der Bogen verlischt und nach der Weiterbewegung des Laserstrahls 5 parallel in einer Ebene zur Drehachse der Targets 1 und 1' die Spannung erhöht und mit einem neuen Laser­ impuls eine neue Bogenentladung gezündet, so daß die­ ser Vorgang beliebig oft wiederholbar ist.

Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel kann zu­ sätzlich eine nicht dargestellte Blende zwischen den Targets 1 und 1' sowie dem Substrat 3 (zu beschich­ tendes optisches Element) angeordnet, um zu verhin­ dern, daß ionisierte Teilchen aus dem Plasma auf direktem Wege zum Substrat gelangen.

Dies führt dazu, daß das Auftreffen unerwünschter größerer Teilchen bzw. Tröpfchen behindert wird.

Für die Beschichtung ist es nicht zwingend, wie in der Fig. 1 dargestellt, ein negatives Potential am Substrat 3 anzulegen, sondern es genügt für viele Anwendungsfälle, daß das Substrat an Masse gelegt ist.

Das in der Fig. 1 dargestellte Beispiel einer Vor­ richtung zur Herstellung erfindungsgemäßer optischer Elemente kann in nicht dargestellter Form modifizier­ ter werden, indem zumindest auf die Anode 4 verzich­ tet wird und das Plasma ausschließlich mit einem La­ serstrahl 5 ausreichender Intensität erzeugt.

Die Ausbildung des Interferenzschichtsystems auf dem Substrat wird dabei so vorgenommen, daß unmittelbar auf die gegebenenfalls vorgereinigte Substratoberflä­ che, wobei für die Reinigung der Substratoberfläche aus der Vakuumbeschichtungstechnik bekannte Reini­ gungsverfahren unter Verwendung von z. B. Argon, zu­ rückgegriffen werden kann, eine erste Schicht aus dem haftungsverbessernden Material ausgebildet und im Anschluß daran eine zweite Schicht aus kohlenstoff­ ähnlichem Diamant abgeschieden wird.

Für bestimmte Anwendungen kann auch ein Mehrschicht­ aufbau, der aus mehreren solcher Schichten besteht, ausgebildet werden, wobei in jedem Fall die jeweili­ gen Schichtdicken unter Berücksichtigung der entspre­ chenden Brechungsindizes so eingestellt werden, daß Interferenz für zumindest eine Lichtwellenlänge er­ reicht wird.

Claims (14)

1. Optisches Element, auf dem eine transparente, kratzfeste Beschichtung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Substratoberfläche ein aus minde­ stens einer haftungsverbessernden und mindestens einer aus diamantähnlichem Kohlenstoff bestehen­ den Schicht, gebildetes erstes Interferenz­ schichtsystem für Licht mindestens einer vorgeb­ baren Wellenlänge aufgebracht ist.

2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat kupfer­ beschichtet oder aus reinem Kupfer gebildet ist.

3. Optisches Element nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Alumi­ nium, oder Silber oder Gold beschichtet oder aus reinem Al, Ag, oder Au ist.

4. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die haftungsver­ bessernde Schicht aus Aluminium, Aluminiumoxid oder einer Mischung davon gebildet ist.

5. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die haftungsver­ bessernde Schicht aus Si, Mo, Ni, W, Zr, Ti, Mg, Hf, Ta, Be oder Th oder chemische Verbindungen dieser Elemente gebildet ist.

6. Optisches Element nach Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus ZnS, Ge, ZnSe, NaCl, KCl, KBr, CaF, Al₂O₃ oder MgF besteht.

7. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die haftungsver­ bessernde Schicht in einer Dicke zwischen 0,5 nm und 20 nm und die diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht in einer Dicke von mindestens 40 nm aus­ gebildet sind.

8. Verfahren zur Herstellung optischer Elemente nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Substrat­ oberfläche und erstem Interferenzschichtsystem ein zweites Interferenzschichtsystem ausgebildet ist.

9. Verfahren zur Herstellung optischer Elemente nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit einem Laserstrahl oder mit einer Laserstrahl gezündeten Lichtbogenentladung im Vakuum erzeugten Plasma beschichtet wird, wobei ein Target eines haftungsverbessernden Materials und ein Kohlenstofftarget als Kathode geschaltet sind; und das Substrat nacheinander mit dem Interferenzschichtsystem versehen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus den ver­ schiedenen Materialien, axial, scheibenförmig ausgebildete Walze oder mehrere Walzen aus ver­ schiedenen Materialien als Kathode verwendet wird/werden.

11. Vorrichtung zur Herstellung optischer Elemente nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Vakuumkam­ mer ein Target (1) aus Kohlenstoff und ein Tar­ get (1') aus einem Material zur Ausbildung der haftungsverbessernden Schicht walzenförmig aus­ gebildet und drehbar angeordnet sind, auf deren Oberfläche zur Erzeugung eines Plasmas ein La­ serstrahl (5) gerichtet ist, der entlang einer parallel zur Drehachse ausgerichteten Ebene aus­ lenkbar ist und ionisierte Teilchen des Plasmas auf dem Substrat (3) als Interferenzschichtsy­ stem abscheidbar sind.

12. Vorrichtung zur Herstellung optischer Elemente nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Targets (1, 1') als Kathode geschaltet sind, wobei zur Ausbil­ dung einer Lichtbogenentladung eine Anode (4) vorhanden ist.

13. Verwendung eines optischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Laserspiegel.

14. Verwendung eines optischen Elementes nach den Ansprüchen 1, 4 bis 8 als Fenster oder Fokus­ sierungsoptik (Transmission) bzw. Defokussie­ rungsoptiken.