DD273902A1

DD273902A1 - METAL-LAYER ASSEMBLY FOR OBTAINING A HIGH LIGHT REFLECTION OF LIGHT

Info

Publication number: DD273902A1
Application number: DD31764688A
Authority: DD
Inventors: Erik Hacker; Gerhard Haensch; Juergen Meyer
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1988-07-01
Filing date: 1988-07-01
Publication date: 1989-11-29

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine degradationsstabile Haftvermittlerschicht insbesondere fuer reflektierende metallschichtoptische Anwendungen auf metallischen, halbleitenden oder dielektrischen Substraten unter Verwendung von Edelmetall- oder Halbedelmetallschichten als funktionelle Reflexionsschicht. Die erfindungsgemaesse Haftvermittlerschicht aus einem amphoteren Uebergangsmetall der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente und einer siliziumhaltigen Substanz ist zwischen Substrat und Reflexionsschicht angeordnet.The invention relates to a degradation-stable adhesive layer, in particular for reflective metal layer optical applications on metallic, semiconducting or dielectric substrates using noble metal or semi-precious metal layers as a functional reflection layer. The adhesion promoter layer according to the invention comprising an amphoteric transition metal of the fourth to sixth subgroups of the Periodic Table of the Elements and of a silicon-containing substance is arranged between the substrate and the reflection layer.

Description

Title of the invention

Metallschichtoptische Anordnung zur Erzielung eines hohen LichtreflexionsVermögensMetal layer optical arrangement for achieving a high light reflection capacity

Field of application of the invention

Die Erfindung ist in allen metallschichtoptischen Anordnungen anwendbar, in denen im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereioh ein hohes Reflexionsvermögen gekoppelt mit einer hohen technischen, elektrischen und klimatischen Belastbarkeit gefordert wird.The invention is applicable to all metallschichtoptischen arrangements in which in the ultraviolet, visible or infrared Spektralbereioh high reflectivity coupled with a high technical, electrical and climatic load capacity is required.

Characteristic of the known state of the art

Funktionell hochreflektierende Schichten aus Edelmetallen oder Halbedelmetallen, die mittels physikalischer Beschichtungsverfahren auf geeignete Substrate aufgebracht werden, haben für die Reflexion von Licht über v/eite Spektralbereiche vor allem als Vorderflachenspiegel eine große technische Bedeutung. Abhängig vom spektralen Anwendungsbereich und den erforderli*- chen optischen und Resistenzeigenschaften werden z. B. Schichten aus Gold, Kupfer, Silber oder Material der Platingruppe verwendet, wobei das Silber als Material mit der höchsten Reflexion im visuellen bis infraroten Spektralbereich bei geringer Polarisation eine herausragende Stellung inne hat. Eine Anwendbarkeit der genannten Metallschichten als Vorderflachenspiegel ist jedoch nur begrenzt möglich, da diese Schichten wenig resistent gegenüber mechanischen, chemischen und klimatischen Einflüssen sind und auf typischen optischen Substratmaterialien wie Glas oder Silizium aufgrund schwacher Adhäsionskräfte zu diesen Materialien schlecht haften.Functionally highly reflective layers of noble metals or semiprecious metals, which are applied to suitable substrates by means of physical coating processes, have great technical significance for the reflection of light above the visible spectral regions, especially as front surface mirrors. Depending on the spectral range of application and the required optical and resistance properties, z. As layers of gold, copper, silver or platinum group material used, the silver as the material with the highest reflection in the visual to infrared spectral range at low polarization has a prominent position. However, applicability of the mentioned metal layers as front surface mirrors is only limitedly possible because these layers are less resistant to mechanical, chemical and climatic influences and adhere poorly to typical optical substrate materials such as glass or silicon due to weak adhesion forces to these materials.

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Eine seit langem bekannte Methode zur Vermeidung von Adhäsionsproblemen bei Silber- und Goldschichten ist das Einfügen von Haftvermittlerschichten, die sowohl zum Substrat als auch Rum Schichtmaterial gute Adhäsionseigenschaften entwickeln. Durch das Einfügen von Haftvermittlerzwischenschichten entstehen gestapelte Anordnungen von physiko-chemisch verschiedenen Schichten, die mit Degradationsproblemen behaftet sind, was bis zum Totalausfall der Spiegelfunktion führen kann.A long-known method of avoiding adhesion problems in silver and gold layers is the inclusion of adhesion promoter layers which develop good adhesion properties to both the substrate and rum layer material. The introduction of intermediate adhesion layers results in stacked arrangements of physico-chemically different layers, which are subject to degradation problems, which can lead to total failure of the mirror function.

In der DE-PS 3 509 942 wird für Gold-, Silber- oder Kupferschichten eine Haftvermittlerschicht aus Chrom, Nickel bzw. Wolfram vorgeschlagen. Bei höheren Belastungen eines solchen Schichtaufbaus treten aber als Nachteil Diffusionsvorgänge auf, die eine starke Beeinträchtigung der Bauelementefunktion bewirken können.In DE-PS 3 509 942 an adhesion promoter layer of chromium, nickel or tungsten is proposed for gold, silver or copper layers. At higher loads of such a layer structure but occur as a disadvantage diffusion processes that can cause a strong impairment of the device function.

Zur Vermeidung dieser Nachteile v/ird in der DE-PS 3 107 612 vorgeschlagen, zwischen Haftverniittlerschicht und Reflexionsschicht als Diffusionssperre eine amorphe Zwischenschicht aus Silizium- bzw. Aluminiumoxid zu verwenden. Ein prinzipieller Nachteil dieser Lösung besteht in der geringen thermischen Leitfähigkeit einer solchen dielektrischen Zwischenschicht, was bei hohen thermischen Belastungen zu einer unzulässigen Aufheizung der Reflexionsschicht führen kann.To avoid these disadvantages, it is proposed in DE-PS 3 107 612 to use an amorphous intermediate layer of silicon or aluminum oxide as the diffusion barrier between the adhesive layer and the reflective layer. A principal disadvantage of this solution is the low thermal conductivity of such a dielectric intermediate layer, which can lead to an inadmissible heating of the reflective layer at high thermal loads.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist eine reflektierende schichtoptische Anordnung, die für hohe Belastungen geeignet ist und sich mittels konventioneller Beschichtungstechnik auf einfache Art und Weise ökonomisch herstellen läßt.The aim of the invention is a reflective layer-optical arrangement which is suitable for high loads and can be produced economically by means of conventional coating technology in a simple manner.

Statement of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Haftvermittlerschicht mit gutem Adhäsionsvermögen vorzusgweise bezüglichThe invention is based on the object vorzusgweise a primer layer with good adhesion vorzusgweise

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Reflexionsschichten aus Gold oder Silber auf der einen Seite und Siliziumsubstraten auf der anderen Seite anzugeben, die bei erhöhten thermischen, klimatischen, elektrischen und mechanischen Belastungen degradationsstabil sind. Erfindungsgemäß v/ird die Aufgabe mit einer metallschichtoptischen Anordnung zur Erzielung eines hohen Lichtreflexionsvermögens mit einer Haftvermittlerschicht, die sich zwischen einem Substrat und einer Metallschicht befindet, dadurch gelöst, daß die Haftverrcittlerschicht aus mindestens einem amphoteren Übergangsmetall der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente und einer siliziumhaltigen Substanz besteht, v/obei das Übergangsmetall vorzugsweise im Grenz?lächenbereich zum Substrat angereichert ist und die siliziumhaltige Substanz vorzugsweise im Grenzflächenbereich zur reflektierenden Metallschicht angereichert ist.Reflective layers of gold or silver on the one hand and indicate silicon substrates on the other side, which are resistant to degradation at elevated thermal, climatic, electrical and mechanical loads. According to the invention, the object is achieved with a metal-layer-optical arrangement for achieving a high light reflectivity with a bonding agent layer located between a substrate and a metal layer, in that the adhesion promoter layer comprises at least one amphoteric transition metal of the fourth to sixth subgroup of the periodic table of the elements and a silicon-containing substance is, v / obei the transition metal is preferably enriched in the boundary surface area to the substrate and the silicon-containing substance is preferably enriched in the interface region to the reflective metal layer.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Anreicherung des Übergangsmetalls in einem ca. 10 Nanometer dicken Grenzflächenbereich zum Substrat größer als 80 Atomprozent ist und die Anreicherung der siliziumhaltigen Substanz in einem ca. 10 Nanometer dicken Grenzflächenbereich zur reflektierenden Metallschicht größer als 80 Atom- bzw. Molekülprozent ist. Die Dicke der Haftvermittlerschicht liegt günstig in einem Bereich zwischen 20 Nanometer und 100 Nanometer. Als Material für das Ubergangsmetall ist beispielsweise Chrom, Titan, Wolfram oder Molybdän oder eine Mischung aus mindestens zv/ei der genannten Metalle geeignet. Günstigere siliziumhaltige Substanzen sind Silizium, Siliziummonoxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbit oder eine Mischung aus mindestens zwei der genannten Substanzen. Durch die angegebene erfindungsgemäße Lösung ergibt sich eine Haftvermittlerschicht, die zu Reflexionsschichten aus Silber oder Gold, aber auch zu Aluminium auf der einen Seite und Silizium- und Glassubstraten auf der anderen Seite ein ausgezeichnetes Adhäsionsvermögen entwickelt und bei erhöhten thermischen, klimatischen, elektrischen und mechanischen Belastungen aufgrund geringer Diffusion und Reaktion zu den angrenzenden Medien sowie aufgrund einer hoohdispoersen Schichtstruktur degradatj.onsstabil sind.It is particularly expedient if the enrichment of the transition metal in an approximately 10 nanometer-thick interface region to the substrate is greater than 80 atomic percent and the enrichment of the silicon-containing substance in an approximately 10 nanometer thick interface region to the reflective metal layer greater than 80 atomic percentages is. The thickness of the adhesion promoter layer is favorably in a range between 20 nanometers and 100 nanometers. As a material for the transition metal, for example, chromium, titanium, tungsten or molybdenum or a mixture of at least zv / ei of said metals is suitable. Cheaper silicon-containing substances are silicon, silicon monoxide, silicon dioxide, silicon nitride, silicon carbide or a mixture of at least two of the substances mentioned. The specified solution according to the invention results in an adhesion promoter layer that develops excellent reflective properties of silver or gold, but also aluminum on one side and silicon and glass substrates on the other side and increased thermal, climatic, electrical and mechanical loads due to low diffusion and reaction to the adjacent media and due to a hoohdispoersen layer structure are degradatj.onsstabil.

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Ausführungsbeispiel Ausführungsbeispie l

Die Erfindung soll anhand eines Beispieles für eine degradationsstabile Haftvermittlerschicht naher erläutert werden. Die erfindungsgemäße Haftvermittlerschicht besteht dabei aus Chrom als amphoterem Übergangsmetall der 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente und Siliziummonoxid als siliziurahaltige Substanz, wobei das Chrom vorzugsweise in einem ca, 10 nm breiten Grenzflächenbereich zum Substrat mit einem Gehalt von mehr als 80 Atompro^ent angereichert ist, während das Siliziummonoxid in einem ca. 10 nm breiten Grenzfläehenbereich zur metallischen Reflexionsschicht mit einem Gehalt von mehr als 80 Molekülprozent angereichert ist. In der speziellen Ausführung form beträgt die Dicke der erfindungsgeniäßen Haftvermittlerschicht ca. 50 nm.The invention will be explained in more detail with reference to an example of a degradation-stable adhesive layer. The adhesion promoter layer according to the invention consists of chromium as the amphoteric transition metal of subgroup 6 of the Periodic Table of the Elements and silicon monoxide as the silicon-containing substance, wherein the chromium is preferably enriched in a surface area of about 10 nm wide with a content of more than 80 atomic percent while the silicon monoxide is enriched in an approximately 10 nm wide Grenzfläehenbereich to the metallic reflection layer with a content of more than 80 molecule percent. In the specific embodiment form, the thickness of the adhesion promoter layer according to the invention is about 50 nm.

Ein mit der erfindungsgemäßen Haft\ermittlerschicht versehener Goldspiegel ist beispielsweise für COp-Hochleistungslaser mit erhöhten thermischen Belastungen ohne wesentliche Degradation der Leistungsparameter geeignet. Ebenso widersteht der mit der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht aufgebaute Goldspiegel erhöhten klimatischen, chemischen und elektrischen Belastungen insbesondere dadurch, daß die erfindungsgemäße Haftvermittlerschicht bei ausgezeichnetem Adhäsionsvermögen zu den angrenzenden Medien die Diffusion infolge komplex wirkender Effekte minimiert. Durch die angegebene Lösung kann die Rekristallisationstemperatur der Haftvermittlerschicht um mehr als 200 Kelvin gesteigert werden.A gold mirror provided with the adhesion promoter layer according to the invention is suitable, for example, for COp high-power lasers with increased thermal loads without significant degradation of the performance parameters. Likewise, the gold mirror built up with the adhesion promoter layer according to the invention withstands increased climatic, chemical and electrical stresses, in particular because the adhesion promoter layer according to the invention with excellent adhesion to the adjacent media minimizes diffusion as a result of complex effects. By the specified solution, the recrystallization temperature of the bonding agent layer can be increased by more than 200 Kelvin.

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Claims

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claims

1. A metal layer optical arrangement for obtaining a high light reflectance with a primer layer zv / ischen a substrate and a metal layer, characterized in that the primer layer consists of at least one amphoteric transition metal of the fourth to sixth subgroup of the Periodic Table of the Elements and a silicon-containing substance , v / obei the transition metal is preferably enriched in the interface region to the substrate and the silicon-containing substance is vorzusweise enriched in the interface region to the reflective metal layer.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the enrichment of the transition metal in an approximately 10 nanometers thick interface region to the substrate is greater than 80 atomic percent and the enrichment of the silicon-containing substance in an approximately 10 nanometers thick interface region to the reflective metal layer greater than 80 Atomic or molecular percent is.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the layer thickness of the bonding agent layer zv / ischen 20 nanometers and 100 nanometers.

4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the transition metal is chromium, titanium, tungsten, molybdenum or a mixture of at least two of said metals and that the silicon-containing substance silicon, silicon monoxide, silicon dioxide, silicon nitride, silicon carbide or a mixture of at least two the said silicon-containing substances.