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DE102016002597A1 - Breitbandentspiegelung für den NlR-Bereich - Google Patents

Breitbandentspiegelung für den NlR-Bereich Download PDF

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DE102016002597A1
DE102016002597A1 DE102016002597.2A DE102016002597A DE102016002597A1 DE 102016002597 A1 DE102016002597 A1 DE 102016002597A1 DE 102016002597 A DE102016002597 A DE 102016002597A DE 102016002597 A1 DE102016002597 A1 DE 102016002597A1
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Thomas Eisenhammer
Tobias Geldhauser
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Original Assignee
OPTICS BALZERS AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit einem Substrat, das zumindest in einem Bereich seiner Oberfläche eine Entspiegelung umfasst, die so ausgestaltet ist, dass sie für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich und einen vorgebebenen Einfallswinkelbereich einfallende elektromagnetische Strahlung höchstens zu einem vorgegebenen Prozentsatz reflektiert, wobei die Entspiegelung ein Wechselschichtsystem aus einem ersten Material mit hohem Brechungsindex und einem zweiten Material mit niedrigem Brechungsindex, welche aufeinander abgeschieden wurden, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material amorphes Silizium oder mikrokristallines Silizium oder eine Mischung aus amorpher und mikrokristalliner Phase umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet breitbandiger Oberflächenvergütung, insbesondere für photoelektrische Komponenten. Diese soll als reflexionsminimierende Vergütung vorzugsweise im Bereich von Licht mit infraroten Wellenlängen und zwar über einen breiten Wellenlängenbereich und Einfallswinkelbereich wirksam sein.
  • Beispielsweise spielt dies im Umfeld von Abdeckungen für IR-Photodetektoren, insbesondere auch CCD Kameras, eine grosse Rolle.
  • Wird über Antireflexbeschichtungen gesprochen, so muss zunächst auf die Art und Beschaffenheit des Substrates eingegangen werden. Hier kommen zum Beispiel sowohl monokristalline oder polykristalline Siliziumwafer als auch unterschiedliche Glastypen (beispielsweise BK 7, Eagle XG® etc.) in Betracht, sowie auch Plastiksubstrate beispielsweise basierend auf Zeonex®, Polycarbonat und viele mehr.
  • Wenn im Folgenden von Licht die Rede ist, so ist im Allgemeinen elektromagnetische Strahlung gemeint.
  • Es sind unterschiedliche Antireflexbeschichtungen bekannt. Die meisten basieren auf Wechselschichten dielektrischer Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Aufgrund des Brechungsindex-Unterschiedes der Schichten und dem damit verbundenen Indexsprung an den Grenzflächen der einzelnen Schichten kommt es an den Grenzflächen zu Reflexionen und damit insgesamt zu Interferenz. Werden die Schichtdicken in Abhängigkeit des Brechungsindexunterschiedes und der Wellenlänge des Lichtes so gewählt, dass es für eine Wellenlänge in Reflexion zu destruktiver Interferenz kommt, so wird für diese Wellenlänge kaum Licht reflektiert und somit nahezu alles Licht transmittiert, sofern die Schichten im Wesentlichen absorptionsfrei sind. Die Kunst besteht nun darin, die Schichtdickenverteilung so zu wählen, dass es über einen möglichst grossen Winkelbereich und über einen möglichst breiten Wellenlängenbereich zur beschriebenen destruktiven Interferenz in Reflexion kommt. Mit dielektrischen Materialien ist dies bisher in nur mässig zufriedenstellender Weise gelungen.
  • Gemäss einem etwas anderen Ansatz wird versucht, der elektromagnetischen Strahlung einen möglichst sanften, d. h. barrierefreien Eintritt in das Substrat zu ermöglichen. Beispielsweise kann dies durch eine pyramidenhafte Oberflächenstrukturierung versucht werden, wobei die Strukturen typischerweise im Subwellenlängenbereich liegen und die elektromagnetische Strahlung dann effektiv einen kontinuierlichen und damit sanften Brechungsindexanstieg beim Eintritt in das Substrat „registriert”. Solche Gradienten funktionieren zwar sehr gut. Allerdings ist eine solche Oberflächenstrukturierung technisch mit sehr viel Aufwand verbunden und damit teuer.
  • Demgegenüber wird in der DE 693 08 686 versucht, einen solchen Gradientenanstieg mittels eines Vierschichtsystems zu erreichen. Offenbart ist eine Beschichtung bestehend aus Silizium, Siliziumsuboxid, Siliziummonoxid und Siliziumdioxid. Diese weisen Brechungsindizes auf, die von der unbeschichteten Oberfläche ausgehend bei Werten von ungefähr 3.2/2.6/1.9 bzw. 1.45 heruntergestuft werden. Theoretisch ist dies ein vielversprechender Ansatz. In der Praxis erweist es sich jedoch als schwierig, das Suboxid und das Monoxid in zuverlässig reproduzierbarer Weise abzuscheiden. Für eine breite industrielle Anwendung erscheint dieses Verfahren daher eher als weniger geeignet.
  • Dementsprechend besteht ein Bedürfnis nach einer Oberflächenvergütung, welche eine Entspiegelung über einen breiten Wellenlängenbereich bereitstellt, wobei sich die Herstellung der Oberflächenvergütung mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand und produktionstauglich realisieren lassen sollte.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde dieses Bedürfnis zu befriedigen.
  • Die Aufgabe wird mit einem Schichtsystem gemäss Anspruch 1 erfüllt. Die weiteren Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Erfindungsgemäss wird auf ein Substrat ein Vielschichtsystem aufgebracht, wobei sich dünne Siliziumschichten mit Materialien mit niedrigerem Brechungsindex abwechseln. Als bevorzugter Kandidat für ein solches Material ist SiO2 einzustufen.
  • Die Schichtzahl liegt typischer Weise im Bereich zwischen 9 und 13, wobei aber auch eine kleinere oder eine grössere Anzahl Schichten gewählt werden kann, entsprechend der spezifischen Anforderungen an die Oberflächenvergütung.
  • Für die Siliziumschichten kommen unterschiedliche kristalline Zustände in Frage: amorphes Silizium (α-Si), mikrokristallines Silizium (μc-Si) oder eine Mischung aus amorpher und mikrokristalliner Phase.
  • Sowohl die Siliziumschichten als auch die Schichten mit niedrigerem Brechungsindex können mittels verschiedener Beschichtungsmethoden abgeschieden werden. Eines der möglichen Verfahren ist die chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVP = chemical vapor deposition), welche mit oder ohne Plasmaunterstützung betrieben werden kann. Bei Plasmaunterstützung handelt es sich um die sogenannte plasma enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD).
  • Es ist bekannt dass diese Beschichtungsmethode zur Abscheidung von SiO2 und α-Si, sowie auch μc-Si Schichten herangezogen werden kann, wobei häufig eine Abscheidetemperatur von 200–300°C realisiert wird.
  • Eine andere Beschichtungsmethode, die häufig in der optischen Industrie eingesetzt wird, basiert auf der Zerstäubungstechnologie. Das entsprechende Verfahren wird auch im Deutschen häufig als „Sputtern” bezeichnet. Dabei können die SiO2 Schichten einerseits direkt von einer SiO2 Materialquelle (Target) gesputtert werden, wobei dann RF-Sputtern zum Einsatz kommt, weil die SiO2-Targets nicht elektrisch leitend sind. Andererseits kann aber auch von einem kommerziell erhältlichen, leicht dotierten Si-Target reaktiv gesputtert werden, wobei dann eine Mischung aus Argon als Arbeitsgas und Sauerstoff als Reaktivgas zum Einsatz kommt. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der Dotierung – beispielsweise mit Bor – das Target ausreichend elektrisch leitfähig ist, so dass DC-Sputtern oder gepulstes DC-Sputtern verwendet werden kann.
  • Bei mittels Sputtern hergestellten α-Si Schichten kommt ein dotiertes Si-Target zum Einsatz, wobei hier lediglich ein Arbeitsgas, beispielsweise Argon verwendet wird. Dem Arbeitsgas kann zusätzlich Wasserstoff H2 beigemischt werden, was zur Folge hat, dass Wasserstoff in die abgeschiedene Schicht eingelagert wird und dies zu Schichten mit geringerer und zu kürzeren Wellenlängen verschobener Absorption führt. Es können auf zwischen 200 und 300°C erhöhte Substrattemperaturen verwendet werden. Allerdings ist es mit dieser Methode auch möglich, α-Si Schichten ausreichender Qualität bei niedrigeren Substrattemperaturen wie zum Beispiel 100°C herzustellen. Diese niedrigen Temperaturen sind eine Notwendigkeit bei der Beschichtung von Plastiksubstraten beispielsweise basierend auf Polycarbonat und/oder Zeonex®.
  • Eine wichtige physikalische Grösse im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist der optische Brechungsindex. Aus diesem Grund soll im Folgenden kurz auf die entsprechenden Eigenschaften der verwendeten Materialien eingegangen werden.
  • Der komplexe Brechungsindex N ^ = n – ik eines Materials ist in der Regel wellenlängenabhängig. Kristallines Silizium (c-Si) hat im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 3000 nm einen Realteil des Brechungsindexes (n) zwischen 3.6 und 3.4. Ab einer Wellenlänge von ca. 1200 nm wird ein Substrat bestehend aus c-Si quasi transparent, da der Imaginärteil des komplexen Brechungsindexes (k), der auch Extinktionskoeffizient oder Absorptionsindex genannt wird, drastisch abnimmt, wie auch 1 zeigt.
  • In 2 ist der Brechungsindex einer gesputterten α-Si Schicht in Abhängigkeit der Wellenlänge gezeigt. Der Brechungsindex ist ungefähr 0.2 niedriger als derjenige von c-Si. Allerdings ist auch die Absorption geringer und auch zu kürzeren Wellenlängen verschoben. Diese dünne α-Si Schicht wurde bei erhöhten Temperaturen von ca. 200°C unter Verwendung einer Argon-Wasserstoff Gasmischung gesputtert. Durch Änderung des Beschichtungsprozesses ist es möglich, Schichten zu produzieren, deren Brechungsindex näher an demjenigen der c-Si Schichten liegt und mit geringerer Verschiebung der Absorption zu kürzeren Wellenlängen. Speziell μc-Si – Schichten können mittels PE-CVD Verfahren abgeschieden werden.
  • Demgegenüber haben gesputterte SiO2-Schichten typischerweise einen Brechungsindex von ungefähr 1.47 im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 2500 nm.
  • Die Erfindung wird nun im Detail anhand von Beispielen und mit Hilfe von Graphen erläutert.
  • 1 zeigt den komplexen Brechungsindex von kristallinem Silizium
  • 2 zeigt den komplexen Brechungsindex von α-Si, welches bei einer Temperatur von 200°C abgeschieden wurde, wobei dem Arbeitsgas (Argon) Wasserstoff beigemischt war mit einem Mischungsverhältnis von 4 Volumenanteilen Argon zu einem Volumenanteil Wasserstoff.
  • 3 zeigt die Reflexion in Abhängigkeit der Wellenlänge gemäss eines ersten erfindungsgemässen Beispiels.
  • 4 zeigt die Herstellungstoleranz der Reflexion in Abhängigkeit der Wellenlänge gemäss eines ersten erfindungsgemässen Beispiels.
  • 5 zeigt die Reflexion eines Vergleichssystems gemäss Stand der Technik.
  • 6 zeigt die Reflexion in Abhängigkeit der Wellenlänge gemäss eines zweiten erfindungsgemässen Beispiels.
  • 7 zeigt die Transmission in Abhängigkeit der Wellenlänge für ein beidseitig erfindungsgemäss entspiegeltes Glassubstrat.
  • Tabelle 1 zeigt den Schichtaufbau eines erfindungsgemässen Schichtsystems gemäss eines ersten Beispiels mit den Schichtdicken in Nanometern (wie in allen Tabellen), wobei die erste Zeile die Schichtdicke der SiO2-Schicht auf dem Substrat angibt.
  • Tabelle 2 zeigt den Schichtaufbau eines Schichtsystems gemäss Stand der Technik.
  • Tabelle 3 zeigt den Schichtaufbau eines erfindungsgemässen Schichtsystems gemäss eines zweiten Beispiels.
  • Tabelle 4 zeigt den Schichtaufbau eines erfindungsgemässen Schichtsystems zur beidseitigen Entspiegelung eines Glassubstrates.
  • Das erste Beispiel betrifft eine erfindungsgemässe Vergütung auf einem c-Silizium Wafer.
  • Das Grunddesign der Breitband-Antireflexbeschichtung mit grosser Winkelakzeptanz umfasst 11 Wechselschichten. Die erste auf dem c-Si Wafer abgeschiedene Schicht ist im Beispiel eine SiO2 Schicht, welcher 5 Paare gebildet aus einer Silizium Dünnschicht (α-Si oder μc-Si) und einer SiO2 – Schicht folgen. Tabelle 1 zeigt die entsprechende Schichtdickensequenz für α-Si, die Schichtdickensequenz für μc-Si muss leicht angepasst werden. 3 zeigt die Reflexion in Abhängigkeit der Wellenlänge für Einfallswinkel 0° und für Einfallswinkel 40° für beide Polarisationen. Die sehr niedrige Reflexion von < 0.5% wird bei senkrechtem Lichteinfall für den breiten spektralen Bereich von 1400 nm bis 2600 nm erreicht, wobei die mittlere Reflexion unter 0.2% liegt. Auch für grössere Einfallswinkel, z. b. wie gezeigt für 40°, bleibt die Reflexion im Wellenlängenbereich von 1300 nm bis 2500 nm unter 1.5%. Vergleichbare, aber etwas schlechtere optische Eigenschaften können auch mit einem Schichtdesign aus nur 9 Schichten erreicht werden.
  • Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist die Unempfindlichkeit des Designs gegenüber Herstellungstoleranzen, wie sie in jedem Produktionsprozess vorkommen. Es ist wichtig dass die optischen Eigenschaften beispielsweise bei Fluktuationen der Schichtdicken der Einzelschichten nur wenig beeinflusst werden. Dickenfluktuationen gut kontrollierter Beschichtungsprozesse liegen typischerweise im Bereich von ±0.5%. Mit diesen Fluktuationen ändern sich die optischen Eigenschaften des vorliegenden Beispiels um weniger als ±0.2%, wie 4 zeigt.
  • In der optischen Industrie standardmässig eingesetzte hochbrechende Materialien sind zum Beispiel TiO2 oder Nb2O5, die im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 2500 nm einen Brechungsindex von ungefähr 2.25 haben. Um die vorliegende Erfindung mit diesen Standards zu vergleichen, wurde ein Wechselschicht-Design aus 12 Schichten optimiert, wobei als hochbrechendes Material Nb2O5 und als Material mit dem niedrigen Brechungsindex SiO2 gewählt wurde. Die Schichtdicken sind in Tabelle 2 angegeben, wobei die erste Schicht auf dem Siliziumwafer eine Nb2O5 Schicht war. 5 zeigt die Reflexion des resultierenden optimierten Designs. Man erkennt, dass bei senkrechtem Einfall die Reflexion ungefähr viermal höher ist als die Reflexion beim erfindungsgemässen Design. Auch bei 40° ist die Reflexion erhöht, nämlich um Faktor 2 für die s-Polarisation und um Faktor 3 für die p-Polarisation. Die Gesamtdicke des Schichtsystems ist mit ungefähr 2160 nm auch dicker, und zwar um einen Faktor 1.7, als die Dicke des erfindungsgemässen Schichtsystems.
  • Wie das folgende Beispiel zeigt, kann eine Breitbandentspiegelung auch für zu kürzeren Wellenlängen verschobene Spektralbereiche realisiert werden, beispielsweise für einen Bereich zwischen 1000 nm und 2000 nm. In Tabelle 3 ist die Schichtdickensequenz eines entsprechenden, 11 Schichten umfassenden Schichtsystems, das auf SiO2 und α-Si basiert, angegeben. In 6 ist die Reflexion in Abhängigkeit der Wellenlänge gezeigt und man sieht, dass die Werte ähnlich niedrig sind wie die in 3 gezeigten Werte.
  • Die bisherigen Beispiele waren alle auf Siliziumwafer Substrate abgestimmt. Es ist aber auch möglich, die Erfindung bei der Entspiegelung von Glassubstraten vorteilhaft einzusetzen. Tabelle 4 gibt die Schichtdickenverteilung eines dementsprechenden Schichtsystems mit 10 Schichten an. Die erste Schicht auf dem Substrat ist α-Si und das Schichtsystem umfasst 5 Paare gebildet aus α-Si und SiO2.
  • 7 zeigt die Transmission durch ein 1 mm dickes Glassubstrat bei senkrechtem Strahlungseinfall, wobei beide Substratseiten mit der AR-Schicht beschichtet sind. Wie aus der Figur deutlich erkennbar ist, werden in diesem Beispiel im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 2000 nm immer mehr als 98% der Strahlung transmittiert.
  • Es wurde ein optisches Element mit einem Substrat offenbart, das zumindest in einem Bereich seiner Oberfläche eine Entspiegelung umfasst, die so ausgestaltet ist, dass sie für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich und einen vorgebebenen Einfallswinkelbereich einfallende elektromagnetische Strahlung höchstens zu einem vorgegebenen Prozentsatz reflektiert, wobei die Entspiegelung ein Wechselschichtsystem aus einem ersten Material mit hohem Brechungsindex und einem zweiten Material mit niedrigem Brechungsindex, welche aufeinander abgeschieden wurden, umfasst, und das erste Material amorphes Silizium oder mikrokristallines Silizium oder eine Mischung aus amorpher und mikrokristalliner Phase umfasst.
  • Das zweite Material kann SiO2 sein.
  • Vorzugsweise ist der vorgegebene Prozentsatz maximaler Reflexion für senkrechten Einfallswinkel kleiner als 0.5%.
  • Der vorgegebene Wellenlängenbereich kann den Bereich zwischen 1400 nm und 2500 nm umfassen, vorzugsweise den Bereich zwischen 1300 nm und 2500 nm umfasst und besonders bevorzugt den Bereich zwischen 1300 nm und 2600 nm umfasst.
  • Der vorgegebene Einfallswinkelbereich kann die Winkel von 0° bis 40° umfassen.
  • Das Substrat kann beispielsweise ein Silizumwafer oder ein Glassubstrat sein.
  • Das Substrat kann ein planarer Siliziumwafer oder ein planares Glassubstrat mit Vorderseite und Rückseite sein und es kann sowohl Vorderseite als auch Rückseite eine Entspiegelung wie oben beschrieben umfassen.
  • Es wurde ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes wie oben beschrieben offenbart, wobei die Abscheidung zumindest einiger Schichten mittels Sputtern und/oder PE-CVD erfolgt.
  • Bei dem Verfahren kann das erste Material mittels Sputtern und/oder PE-CVD abgeschieden werden und dem für die Beschichtung verwendeten Gas Wasserstoff beigemischt sein kann. Tabelle 1
    23.8 SiO2
    101.5 α-Si
    112.1 SiO2
    55.0 α-Si
    192.1 SiO2
    61.8 α-Si
    87.1 SiO2
    196.4 α-Si
    45.3 SiO2
    64.0 α-Si
    332.3 SiO2
    Tabelle 2
    208.4 Nb2O5
    284.2 SiO2
    60.0 Nb2O5
    128.8 SiO2
    295.7 Nb2O5
    112.2 SiO2
    71.6 Nb2O5
    280.4 SiO2
    113.7 Nb2O5
    62.5 SiO2
    223.1 Nb2O5
    316.6 SiO2
    Tabelle 3
    14.7 SiO2
    76.8 α-Si
    45.7 SiO2
    56.8 α-Si
    57.4 SiO2
    55.8 α-Si
    28.1 SiO2
    202.6 α-Si
    47.7 SiO2
    33.5 α-Si
    242.4 SiO2
    Tabelle 4
    5.7 α-Si
    154.8 SiO2
    20.2 α-Si
    108.9 SiO2
    43.5 α-Si
    46.7 SiO2
    219.8 α-Si
    52.3 SiO2
    32.4 α-Si
    242.2 SiO2
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 69308686 [0007]

Claims (9)

  1. Optisches Element mit einem Substrat, das zumindest in einem Bereich seiner Oberfläche eine Entspiegelung umfasst, die so ausgestaltet ist, dass sie für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich und einen vorgebebenen Einfallswinkelbereich einfallende elektromagnetische Strahlung höchstens zu einem vorgegebenen Prozentsatz reflektiert, wobei die Entspiegelung ein Wechselschichtsystem aus einem ersten Material mit hohem Brechungsindex und einem zweiten Material mit niedrigem Brechungsindex, welche aufeinander abgeschieden wurden, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material amorphes Silizium oder mikrokristallines Silizium oder eine Mischung aus amorpher und mikrokristalliner Phase umfasst.
  2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material SiO2 ist.
  3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Prozentsatz maximaler Reflexion für senkrechten Einfallswinkel kleiner als 0.5% ist.
  4. Optisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wellenlängenbereich den Bereich zwischen 1400 nm und 2500 nm umfasst, vorzugsweise den Bereich zwischen 1300 nm und 2500 nm umfasst und besonders bevorzugt den Bereich zwischen 1300 nm und 2600 nm umfasst.
  5. Optische Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Einfallswinkelbereich die Winkel von 0° bis 40° umfasst.
  6. Optisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Silizumwafer oder ein Glassubstrat ist.
  7. Optische Element nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein planarer Siliziumwafer oder ein planares Glassubstrat mit Vorderseite und Rückseite ist und sowohl Vorderseite als auch Rückseite eine Entspiegelung entsprechend Anspruch 1 umfassen.
  8. Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung zumindest einiger Schichten mittels Sputtern und/oder PE-CVD erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material mittels Sputtern und/oder PE-CVD abgeschieden wird und dem für die Beschichtung verwendeten Gas Wasserstoff beigemischt ist.
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