DE10153760A1 - Verfahren zur Herstellung einer UV-absorbierenden transparenten Abriebschutzschicht - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer UV-absorbierenden transparenten AbriebschutzschichtInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung UV-absorbierender transparenter Abriebschutzschichten durch Vakuumbeschichtung, bei dem gleichzeitig oder zeitlich unmittelbar nacheinander mindestens eine anorganische Verbindung, die Schichten mit hoher Abriebfestigkeit bildet, und eine anorganische Verbindung, die Schichten mit hoher UV-Absorption bildet, jeweils durch reaktive oder teilreaktive plasmagestützte Hochratebedampfung auf einem Substrat abgeschieden werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer UV-absorbierenden, im sichtbaren Bereich transparenten Abriebschutzschicht durch Vakuumbeschichtung. Bevorzugte Anwendungen solcher Schichten sind transparente Abriebschutzschichten auf Kunststoffen für Außenanwendungen, beispielsweise für Fenster an Fahrzeugen und Gebäuden sowie für sonstige transparente oder dekorative Kunststoffteile.
- Es ist bekannt, transparente Abriebschutzschichten durch Lackierverfahren mit organischen Hartlacken herzustellen. Derartige Schichten besitzen jedoch nur eine begrenzte Abriebfestigkeit und im Allgemeinen eine ungenügende Witterungs- und UV-Beständigkeit.
- Wesentlich höhere Abriebfestigkeiten bei wesentlich geringerem Materialaufwand werden durch Aufbringen transparenter Oxidschichten im Vakuum erreicht. Die Beschichtung erfolgt durch Bedampfungs-, Sputter- oder Plasma-CVD-Verfahren (G. Kienel: "Vakuumbeschichtung", Bd. 5, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1993). Die auf diese Weise hergestellten anorganischen Oxidschichten besitzen jedoch eine sehr viel geringere Flexibilität als die durch Lackierung hergestellten organischen Beschichtungen. Dadurch werden die durch die Vakuumbeschichtung erreichbaren guten Eigenschaften der Oxidschichten bei der Anwendung und Weiterverarbeitung der beschichteten Substrate beeinträchtigt.
- Es wurde deshalb versucht, die hohe Flexibilität der organischen Beschichtungen mit der hohen Abriebfestigkeit der anorganischen Oxidschichten zu kombinieren. Ein Beispiel sind sogenannte "organisch modifizierte Keramikschichten" ("ORMOCER"-Schichten), die nach dem Sol-Gel-Prozess hergestellt und wie Lackschichten aufgetragen werden (R. Kasemann, H. Schmidt: New Journal of Chemistry, Vol. 18, 1994, Heft 10, Seite 1117). Sie erfordern jedoch ähnlich große Schichtdicken wie herkömmliche Lackschichten. Außerdem ist die Abriebfestigkeit zwar besser als bei Lackschichten, aber bei weitem nicht so gut wie bei den im Vakuum aufgetragenen dünnen Oxidschichten.
- Es ist auch bekannt, organische Schichten mit anorganischem Oxidanteil dadurch herzustellen, dass die organischen Schichten mit Hilfe der Plasmapolymerisation im Vakuum abgeschieden werden, wobei als Monomer für die Plasmapolymerisation metallorganische oder siliziumorganische Dämpfe verwendet werden und durch gleichzeitigen Sauerstoffeinlass auch Metalloxid- oder Siliziumoxidmoleküle gebildet und in die aufwachsende organische Polymerschicht eingelagert werden (JP 2/99933). Je nach verwendetem Monomer und je nach Sauerstoffanteil kann der Oxidanteil in der organischen Polymerschicht variiert werden. Auf diese Weise können mehr oder weniger harte Schichten abgeschieden werden, die sowohl gute Abriebfestigkeiten als auch eine relativ hohe Flexibilität aufweisen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass zum Erzielen qualitätsgerechter Schichten nur Abscheideraten von wenigen Nanometern pro Sekunde möglich sind. Damit ist dieses Verfahren für die ökonomische Beschichtung großer Flächen ungeeignet.
- Es ist bekannt, zur Vermeidung dieses Nachteils das Verfahren der Plasmapolymerisation mit dem Verfahren der plasmagestützten Hochratebedampfung zu kombinieren (DE 195 43 160 C1). Die plasmagestützte Hochratebedampfung gestattet das Abscheiden harter, abriebfester Oxidschichten mit Beschichtungsraten bis zu 1000 Nanometer pro Sekunde oder mehr, während die gleichzeitig ablaufende Plasmapolymerisation der in die Bedampfungszone eingelassenen Monomere eine erhöhte Flexibilität der mit hoher Rate aufgedampften Oxidschichten bewirkt. Die auf diese Weise hergestellten Schicht-Substrat-Verbunde besitzen jedoch eine für viele Anwendungen ungenügende UV-Beständigkeit. Die Schichten selbst sind zwar in vielen Fällen UV-beständig, insbesondere bei hohem anorganischen Oxidanteil, aber die durch die Schicht hindurchtretende UV-Strahlung schädigt das darunter liegende Kunststoffsubstrat und beeinträchtigt damit die Haftfestigkeit der Abriebschutzschichten auf dem Substrat.
- Es ist bekannt, bei der Abscheidung transparenter Abriebschutzschichten durch Plasma-CVD eine UV-absorbierende Zwischenschicht unter der eigentlichen Abriebschutzschicht anzuordnen, um die UV-Strahlen am Erreichen des Kunststoffsubstrates zu hindern und somit eine Substratschädigung zu vermeiden (US 5,156,882). Sowohl die UV-absorbierende Zwischenschicht (ZnO, TiO2, CeO2, V2O5) als auch die Abriebschutzschicht werden mittels Plasma-CVD bei Beschichtungsraten von weniger als 1 nm/s abgeschieden, so dass dieses Verfahren für die Beschichtung großer Substratmengen mit akzeptablen Kosten nicht geeignet ist.
- Es ist weiterhin bekannt, bei der Abscheidung von Abriebschutzschichten mittels Plasma- CVD das UV-absorbierende Material (Oxide, Silizide, Carbide, Boride, Nitride, Sulfide, Fluoride, Selenide oder Telluride der Elemente La, Ce, Zn, In, Sn, Al, Si, Ge, Sb oder/und Bi) mittels eines PVD-Verfahrens, vorzugsweise durch Sputtern, in die Abriebschutzschicht einzubauen (DE 198 24 364 A1). Auch hier wird die Abscheiderate durch den Plasma-CVD- Prozess bzw. den PVD-Prozess (Sputtern) auf Werte in der Größenordnung von 1 nm/s begrenzt, so dass der Prozess ebenfalls für die Beschichtung großer Substratmengen mit geringen Kosten nicht geeignet ist.
- Es ist schließlich bekannt, bei der Abscheidung von Abriebschutzschichten mittels Plasma- CVD das UV-absorbierende Material (Oxide, Oxinitride oder Nitride von Ce, Zn, Ti, Va, Pb, Ni oder Sn) durch Verdampfen organischer Verbindungen mit oder ohne Plasmaeinwirkung in die Abriebschutzschicht oder eine Unterschicht einzubauen (DE 199 01 834 A1). Auch hier werden nur Abscheideraten von wenigen Nanometern pro Sekunde erreicht, so dass zum Abscheiden eines Schichtsystems eine Prozessdauer von ca. 10 min resultiert, was eine kostengünstige Beschichtung großer Substratmengen nicht gestattet.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Abscheidung UV-absorbierender, im sichtbaren Bereich transparenter Abriebschutzschichten durch Vakuumbeschichtung zu schaffen, mit dem höhere Abscheideraten und damit geringere Beschichtungskosten als bei den bisher bekannten Verfahren möglich sind. Das Verfahren soll insbesondere für die Abscheidung haftfester, witterungs- und UV-beständiger Schichten mit hoher Abriebfestigkeit auf Kunststoffoberflächen geeignet sein.
- Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 22 beschrieben.
- Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verwendung der reaktiven oder teilreaktiven plasmagestützten Hochratebedampfung zum Abscheiden einer anorganischen Verbindung für die UV-Absorption in Kombination mit der plasmagestützten Hochratebedampfung für das Abscheiden einer anorganischen Verbindung für den Abriebschutz. Bisher wurden anorganische oder auch organische Verbindungen für den UV-Schutz ausschließlich durch Verfahren mit geringer Beschichtungsrate, wie z. B. durch Plasma-CVD oder Sputtern, abgeschieden, weil auf andere Weise die UV-absorbierenden Eigenschaften nicht erreicht wurden. Vakuumbeschichtungsverfahren mit hoher Beschichtungsrate, wie z. B. das Elektronenstrahl-Hochrateverdampfen, führen aufgrund der hohen Verdampfungstemperaturen z. T. zu einer Zersetzung der UV-absorbierenden Verbindungen und damit zum Verlust der UV-absorbierenden Eigenschaften. Es wurde nun gefunden, dass bei der gleichzeitigen oder zeitlich unmittelbar aufeinander folgenden Abscheidung einer anorganischen Verbindung für den Abriebschutz und einer anorganischen Verbindung für die UV-Absorption durch reaktive oder teilreaktive plasmagestützte Hochratebedampfung Schichten abgeschieden werden können, die trotz sehr hoher Beschichtungsrate neben einer hohen Abriebfestigkeit eine exzellente UV-Absorption aufweisen.
- Als anorganische Verbindungen für den Abriebschutz eignen sich vor allem SiOx und AlxOy, zumal diese Verbindungen mit besonders geringen Kosten abgeschieden werden können. SiOx kann durch teilreaktive plasmagestützte Elektronenstrahl-Hochrateverdampfung von Quarz mit Beschichtungsraten von über 50 nm/s, vorzugsweise einigen 100 nm/s bis über 1000 nm/s aufgedampft werden. Besonders kostengünstig und gut geeignet ist die Verwendung von Quarzgranulat. AlxOy kann durch reaktive plasmagestützte Hochrateverdampfung von Aluminium mittels Elektronenstrahlverdampfung oder Schiffchenverdampfung mit Beschichtungsraten von mehreren 100 nm/s abgeschieden werden. Besonders kostengünstig ist die reaktive, plasmagestützte Hochrate-Schiffchenverdampfung von Aluminium-Draht.
- Vorteilhafterweise erfolgt die Abscheidung der UV-absorbierenden Schicht durch teilreaktive oder reaktive plasmagestützte Hochrateverdampfung einer UV-absorbierenden Verbindung oder eines nichtflüchtigen Bestandteils einer solchen Verbindung mit Beschichtungsraten von mindestens 10 nm/s, vorzugsweise von 20 bis 200 nm/s.
- Als anorganische Verbindungen für die UV-Absorption kommen unter anderem die Oxide und Oxinitride von Ce, Zn, Ti, Va, Pb, Ni und Sn in Betracht.
- Erfindungsgemäß wird eine besonders gute UV-Absorption erreicht, wenn die anorganische Verbindung für die UV-Absorption durch teilreaktive plasmagestützte Hochrateverdampfung von CeO2, TiO2 oder ZnO oder durch vollreaktive plasmagestützte Hochrateverdampfung von Zn, jeweils unter Verwendung von Sauerstoff als Reaktivgas, unmittelbar vor, während oder nach dem Abscheiden der anorganischen Verbindung für den Abriebschutz aufgedampft wird. Die anwendbaren Beschichtungsraten betragen vorzugsweise 20 bis 200 nm/s, so dass wegen der geringen Schichtdicken bzw. der geringeren Anteile in der Schicht etwa die gleichen Beschichtungszeiten möglich sind wie beim Abscheiden der anorganischen Verbindungen für den Abriebschutz.
- Für die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens wird die Anwendung von Plasmaquellen mit hoher Plasmadichte auf der Grundlage von Vakuumbogenentladungen, Hohlkatoden- Glimmentladungen oder ECR-Mikrowellenentladungen empfohlen. Als besonders geeignet hat sich die Verwendung von Hohlkatoden-Bogenquellen erwiesen, die für die Beschichtung großer Flächen in entsprechender Anzahl nebeneinander angeordnet werden können.
- Die anorganische Verbindung für den Abriebschutz und die anorganische Verbindung für die UV-Absorption können in Form separater Schichten in unterschiedlicher Reihenfolge nacheinander auf das zu schützende Substrat aufgedampft werden. Es ist auch möglich, die anorganische Verbindung für den Abriebschutz und die anorganische Verbindung für die UV-Absorption gleichzeitig in Form einer oder mehrerer aufeinander folgender Mischschichten auf das Substrat aufzudampfen. Dabei werden die Ausgangsmaterialien für die beiden unterschiedlichen Verbindungen vorzugsweise aus zwei nebeneinander oder konzentrisch zueinander angeordneten Tiegeln verdampft. Falls beide Ausgangsmaterialien etwa die gleiche Verdampfungstemperatur besitzen, können sie auch vor der Verdampfung miteinander vermischt und aus dem gleichen Tiegel verdampft werden.
- Für das Erzielen einer hohen Produktivität ist es vorteilhaft, jede einzelne der aufeinander folgenden Schichten in einer separaten Bedampfungszone aufzudampfen und das zu beschichtende Substrat mit gleichförmiger Geschwindigkeit über die nacheinander angeordneten Bedampfungszonen zu führen. Falls die Produktivitätsanforderungen nicht so hoch sind und eine gleiche oder ähnliche Schicht mehrfach nacheinander aufgedampft werden soll, kann das Substrat auch mehrfach über die gleiche Bedampfungszone geführt werden.
- Zur weiteren Verbesserung der Schichteigenschaften ist es vorteilhaft, in eine oder mehrere der Bedampfungszonen zusätzlich dampfförmige organische Monomere einzulassen. Durch das hochdichte Plasma bei der plasmaaktivierten Hochratebedampfung werden die eingelassenen organischen Moleküle oder ihre Bruchstücke in die aufgedampfte Schicht eingebaut und teilweise miteinander vernetzt. Das führt zu einer erhöhten Dehnbarkeit und zu einer geringeren Sprödigkeit der Schichten. Außerdem können je nach Auswahl des Monomers eine verbesserte Haftfestigkeit, verbesserte Gleiteigenschaften, eine Veränderung der Benetzungseigenschaften oder auch eine weitere Verbesserung der UV- Absorption erreicht werden.
- Je nachdem, ob die organischen Moleküle gleichmäßig oder gradientenförmig über die Schichtdicke eingebaut werden sollen, ist es zweckmäßig, das organische Monomer gleichmäßig über die gesamte Bedampfungszone oder vorzugsweise am Anfang, in der Mitte oder am Ende der Bedampfungszone einzulassen. Es kann auch vorteilhaft sein, durch entsprechende Anordnung von Monomereinlass, Hochrateverdampfung und Plasmaquellen dafür zu sorgen, dass zuerst nur die Moleküle des organischen Monomers und erst danach die Moleküle der anorganischen Verbindung auf dem Substrat abgeschieden werden.
- Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, das zu beschichtende Substrat nacheinander über drei Bedampfungszonen zu führen sowie
- - in der ersten Bedampfungszone eine SiOx-Schicht für den Abriebschutz,
- - in der zweiten Bedampfungszone eine ZnOx-Schicht für die UV-Absorption und
- - in der dritten Bedampfungszone eine weitere SiOx-Schicht für den Abriebschutz
- Es ist auch möglich, zuerst die ZnOx-Schicht für die UV-Absorption und danach eine oder mehrere SiOx-Schichten für den Abriebschutz abzuscheiden. Das Abscheiden mehrerer SiOx-Schichten in mehreren aufeinander folgenden, getrennten Bedampfungszonen ist besonders bei der Beschichtung von temperaturempfindlichen Kunststoffsubstraten von Vorteil, weil zwischen den SiOx-Beschichtungen ein Wärmeabfluss ins Innere der Substrate erfolgen kann.
- Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, das Substrat gleichförmig über zwei Bedampfungszonen zu führen und
- - in der ersten Bedampfungszone eine SiOx/CeOx-Mischschicht mit höherem CeOx-Gehalt und
- - in der zweiten Bedampfungszone eine SiOx/CeOx-Mischschicht mit geringerem CeOx- Gehalt
- Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten UV-absorbierenden Abriebschutzschichten sollten bei der Verwendung von SiOx als anorganische Verbindung für den Abriebschutz eine Mindestdicke von etwa 5 µm aufweisen, um eine mit Glas vergleichbare Abriebfestigkeit zu erreichen.
- Bei einem Mehrschichtsystem aus SiOx-Schichten für den Abriebschutz und einer ZnOx- Schicht für die UV-Absorption ist es vorteilhaft, auf dem Substrat
- - zunächst eine 2 bis 5 µm dicke organisch modifizierte SiOx-Schicht anzuordnen, wobei der Anteil der organischen Moleküle an der substratzugewandten Seite der Schicht Null bis 100% und an der substratabgewandten Seite der Schicht Null bis 50% beträgt,
- - darauf eine 0,2 bis 0,5 µm dicke ZnOx-Schicht ohne organische Modifizierung anzuordnen und
- - darüber eine weitere 2 bis 5 µm dicke organisch modifizierte SiOx-Schicht anzuordnen, wobei der Anteil der organischen Moleküle an der substratzugewandten Seite der Schicht Null bis 100% und an der substratabgewandten Seite Null bis 30% beträgt.
- Die empfohlene Gesamtschichtdicke beträgt etwa 5 bis 10 µm je nach den anwendungstechnischen Anforderungen und dem damit verbundenen Grad der organischen Modifizierung. Die Dicke der UV-absorbierenden ZnOx-Schicht sollte je nach UV-Empfindlichkeit des Substrates und je nach Anwendung etwa 0,2 bis 0,5 µm betragen.
- Bei einer UV-absorbierenden Abriebschutzschicht unter Verwendung von SiOx/CeOx -Mischschichten sollte die Gesamtschichtdicke je nach anwendungstechnischen Anforderungen ebenfalls etwa 5 bis 10 µm betragen, wobei der auf die Schichtdicke umgerechnete CeOx- Anteil je nach Anforderungen an die UV-Absorption etwa 0,5 bis 2 µm betragen sollte, was je nach SiOx-Dicke 5 bis 50% des SiOx-Anteils entspricht. Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, bei Anordnung von zwei SiOx/CeOx-Mischschichten übereinander den CeOx- Anteil und den Anteil organischer Moleküle in der substratzugewandten Mischschicht höher als in der substratabgewandten Mischschicht zu wählen.
- An einem Ausführungsbeispiel und einer zugehörigen Zeichnung soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.
- Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die anorganische Verbindung für den Abriebschutz und die anorganische Verbindung für die UV-Absorption zeitlich nacheinander auf plattenförmigen Kunststoffsubstraten 1 aus Polycarbonat abgeschieden werden. Die plasmagestützte Hochratebedampfung erfolgt in drei nacheinander angeordneten Bedampfungszonen 2, 3 und 4, über die die Kunststoffsubstrate 1 mittels einer nicht dargestellten Transporteinrichtung gleichförmig bewegt werden.
- In der ersten Bedampfungszone 2 wird SiOx als anorganische Verbindung für den Abriebschutz durch Elektronenstrahl-Hochrateverdampfung von Quarzgranulat 5 aus um die vertikale Achse rotierenden wassergekühlten Tiegeln 6 abgeschieden. Je nach Breite der zu beschichtenden Kunststoffsubstrate 1 sind mehrere Tiegel 6 über die Beschichtungsbreite nebeneinander angeordnet. Der für die Verdampfung erforderliche Elektronenstrahl 7 wird in einer Axial-Elektronenkanone 8 erzeugt und über mehrere nebeneinander liegende Tiegel 6 abgelenkt. Die Plasmaaktivierung in Bedampfungszone 2 erfolgt mittels einer oder mehrerer Plasmaquellen 9, die über die gesamte Beschichtungsbreite wirksam werden. Im vorliegenden Beispiel ist eine Reihe von nebeneinander angeordneten Hohlkatodenbogenquellen vorgesehen, um eine besonders hohe Plasmadichte, vor allem am Anfang der Bedampfungszone 2, zu erreichen. In unmittelbarer Nähe der Plasmaquellen 9 sind Düsen 10 für den Einlass eines dampfförmigen organischen Monomers vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel wird Hexamethyldisiloxan (HMDSO) verwendet, weil dieses beim Einbau in die SiOx-Schicht zu besonders günstigen Schichteigenschaften führt. Es ist zweckmäßig, über die Düsen 10 außer dem organischen Monomer zusätzlich Sauerstoff als Reaktivgas einzulassen, um hochtransparente farblose SiOx-Schichten abzuscheiden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Plasmaaktivierung und die organische Modifizierung vorzugsweise zu Beginn der Beschichtung, d. h. am Anfang der Bedampfungszone 2, durchzuführen. Besonders vorteilhaft für die Haftung der organisch modifizierten SiOx-Schicht auf dem Kunststoffsubstrat 1 ist es, wenn zunächst nur die Moleküle des organischen Monomers und erst danach zusätzlich die Moleküle und Molekülbruchstücke des verdampften Quarzgranulats 5 auf das Kunststoffsubstrat 1 auftreffen, was durch eine Abschirmung 11 zwischen den Düsen 10 für den Monomereinlass und der übrigen Bedampfungszone 2 erreicht werden kann. Die mittlere Beschichtungsrate innerhalb der Bedampfungszone 2 beträgt etwa 400 nm/s, so dass bei einer Länge der Bedampfungszone von 0,5 m und einer Substrat-Transportgeschwindigkeit von 3 m/min eine Dicke der organisch modifizierten SiOx-Schicht von etwa 4 µm erreicht wird. Auf diese Weise wird eine Schicht abgeschieden, in welcher der Gehalt an organischen Molekülen an der substratzugewandten Seite der Schicht bei annähernd 100% und an der substratabgewandten Seite bei etwa 20% liegt.
- In der zweiten Bedampfungszone 3 erfolgt die Abscheidung von ZnOx als anorganische Verbindung für die UV-Absorption durch plasmagestützte, reaktive Verdampfung von Zink 12. Die Verdampfung erfolgt aus einem thermisch beheizten Ofenverdampfer 13 mit einem Austrittsspalt für den Zinkdampf, der sich über die gesamte Beschichtungsbreite erstreckt. Als Reaktivgas wird Sauerstoff über Spezialdüsen 14 eingelassen, die sich ebenfalls über die gesamte Beschichtungsbreite erstrecken. Die Spezialdüsen 14 werden auf positives Potential gelegt, damit auf diese Weise Elektronen aus dem Plasma der benachbarten SiOx- Bedampfungszonen 2 und 4 in die Bedampfungszone 3 gezogen werden und dort ebenfalls ein Plasma erzeugen. Durch dieses Plasma wird der aus dem Ofenverdampfer 13 austretende Zinkdampf und der aus den Spezialdüsen 14 austretende Sauerstoff angeregt und ionisiert, was zu einer verbesserten chemischen Reaktion zwischen Zink und Sauerstoff und zu einer Verdichtung der in Bedampfungszone 3 abgeschiedenen ZnOx-Schicht führt. Die mittlere ZnOx-Beschichtungsrate in der Bedampfungszone 3 beträgt etwa 40 nm/s, so dass bei einer Länge der Bedampfungszone von 0,5 m und einer Substrat-Transportgeschwindigkeit von 3 m/min eine ZnOx-Schicht von etwa 400 nm Dicke abgeschieden wird.
- In der dritten Bedampfungszone 4 wird analog zur ersten Bedampfungszone 2 eine weitere SiOx-Abriebschutzschicht durch Elektronenstrahl-Hochrateverdampfung von Quarz-Granulat 5 abgeschieden. Im Unterschied zur ersten Bedampfungszone 2 erfolgt hier eine weitgehend homogene organische Modifizierung der SiOx-Schicht durch Einlass des organischen Monomers in größerem Abstand zum Substrat und ohne besondere Abschirmung zwischen den Düsen 10 für den Monomereinlass und der übrigen Bedampfungszone 4. Auch hier wird die organisch modifizierte SiOx-Schicht mit einer Beschichtungsrate von etwa 400 nm/s abgeschieden, so dass bei einer Substrat-Transportgeschwindigkeit von 3 m/min und einer Länge der Bedampfungszone 4 von 0,5 m eine etwa 4 µm dicke Abriebschutzschicht abgeschieden wird. Der Gehalt der Schicht an organischen Molekülen ist über die Schichtdicke annähernd konstant und liegt bei etwa 20%.
- Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer anderen Variante der Erfindung. Die anorganische Verbindung für den Abriebschutz und die anorganische Verbindung für die UV-Absorption werden gleichzeitig als Mischschicht auf das zu schützende Substrat 1 aufgedampft. Wegen der Vergleichbarkeit mit dem erstgenannten Beispiel sollen wiederum Polycarbonatplatten als Substrat und SiOx als anorganische Verbindung für den Abriebschutz betrachtet werden. Als anorganische Verbindung für die UV-Absorption wird CeOx verwendet. Das plasmagestützte Hochratebedampfen der temperaturempfindlichen Polycarbonatsubstrate mit der SiOx/CeOx -Mischschicht wird auf zwei Bedampfungszonen 15; 16 verteilt, um einen Wärmeausgleich innerhalb des Substrates zwischen beiden Bedampfungszonen zu ermöglichen und damit eine Überhitzung der Substratoberfläche zu vermeiden.
- In der ersten Bedampfungszone 15 wird Quarzgranulat 5 und CeO2-Granulat 17 gleichzeitig aus mehreren separaten über die gesamte Bedampfungsbreite angeordneten Verdampfertiegeln 6 mit Hilfe eines oder mehrerer Elektronenstrahlen 7 verdampft, die in einer oder in mehreren nebeneinander angeordneten Elektronenkanonen 8 erzeugt werden. Dabei können abwechselnd ein Tiegel 6 für die Verdampfung von Quarzgranulat 5 und ein Tiegel 6 für die Verdampfung von CeO2-Granulat 17 über die Bedampfungsbreite angeordnet werden. Es können auch, wie in Fig. 2 dargestellt, das Quarzgranulat 5 und das CeO2- Granulat 17 aus einem konzentrisch aufgebauten Doppeltiegel 18 verdampft werden, von denen mehrere nebeneinander über die Bedampfungsbreite angeordnet sind. Im dargestellten Beispiel wird das CeO2-Granulat 17 aus dem zentralen Teil und das Quarz- Granulat 5 aus dem ringförmigen, äußeren Teil des um seine vertikale Achse rotierenden Doppeltiegels 18 verdampft. Das Verhältnis des SiOx und des CeOx in der abgeschiedenen SiOx/CeOx-Mischschicht kann durch das Verhältnis der Verweilzeit des Elektronenstrahls 7 auf dem Quarzgranulat 5 bzw. dem CeO2-Granulat 17 eingestellt werden. Die Plasmaaktivierung sowie der Monomer- und Reaktivgaseinlass in die erste Bedampfungszone erfolgen wie im Beispiel der Fig. 1 mit Hilfe einer Reihe von Plasmaquellen 9 und Einlassdüsen 10. Auch die Anordnung einer Abschirmung 11 zwischen den Einlassdüsen 10 und der übrigen Bedampfungszone 15 hat sich als zweckmäßig erwiesen. Die mittlere Beschichtungsrate für das Abscheiden des SiOx/CeOx-Mischschicht innerhalb der Bedampfungszone 15 kann wie bei der reinen SiOx-Beschichtung etwa 400 nm/s betragen, so dass bei einer Länge der Bedampfungszone von 0,5 m und einer Substrat-Transportgeschwindigkeit von 3 m/min eine etwa 4 µm dicke SiOx/CeOx-Mischschicht abgeschieden werden kann. Der Volumenanteil des CeOx beträgt dabei etwa 15%, was einem Dickenanteil des CeOx an der SiOx/CeOx-Mischschicht von etwa 0,6 µm entspricht.
- In der zweiten Bedampfungszone 16 wird analog zur ersten Bedampfungszone 15 eine zweite SiOx/CeOx-Mischschicht von etwa 4 µm Dicke aufgedampft. Es ist jedoch zweckmäßig, den CeOx-Anteil in der Schicht im Vergleich zur Bedampfungszone 15 auf etwa 10% zu verringern, um eine größere Härte und Abriebfestigkeit der zweiten SiOx/CeOx- Mischschicht zu erreichen. Damit beträgt der Dickenanteil des CeOx an der in der Bedampfungszone 16 aufgedampften zweiten SiOx/CeOx-Mischschicht etwa 0,4 µm. Außerdem wird im vorliegenden Beispiel auf die organische Modifizierung der zweiten SiOx/CeOx-Mischschicht verzichtet, da bereits durch die CeOx-Beimischung analog zur Beimischung der organischen Moleküle eine Erhöhung der Schicht-Flexibilität zu verzeichnen ist.
Claims (22)
1. Verfahren zur Herstellung UV-absorbierender transparenter Abriebschutzschichten
durch Vakuumbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig oder
zeitlich unmittelbar nacheinander mindestens eine anorganische Verbindung, die
Schichten mit hoher Abriebfestigkeit bildet, und eine anorganische Verbindung, die
Schichten mit hoher UV-Absorption bildet, jeweils durch reaktive oder teilreaktive
plasmagestützte Hochratebedampfung auf einem Substrat abgeschieden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische
Verbindung für die Schicht mit hoher Abriebfestigkeit durch plasmagestützte
Hochrateverdampfung mit Beschichtungsraten von mindestens 50 nm/s, vorzugsweise
von 100 bis 1000 nm/s abgeschieden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als anorganische
Verbindung für die Schicht mit hoher Abriebfestigkeit SiOx verwendet und durch
plasmagestützte Hochrateverdampfung von Quarz, vorzugsweise von Quarzgranulat,
hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als anorganische
Verbindung für die Schicht mit hoher Abriebfestigkeit AlxOy verwendet und durch
plasmagestützte, reaktive Hochrateverdampfung von Aluminium unter Verwendung
eines oxidierenden Reaktivgases, vorzugsweise unter Verwendung von Sauerstoff,
hergestellt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
anorganische Verbindung für die Schicht mit hoher UV-Absorption durch teilreaktive
oder reaktive plasmagestützte Hochrateverdampfung einer UV-absorbierenden
Verbindung oder eines nichtflüchtigen Bestandteils einer solchen Verbindung mit
Beschichtungsraten von mindestens 10 nm/s, vorzugsweise von 20 bis 200 nm/s,
abgeschieden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als UV-absorbierende
Verbindungen die Oxide oder Oxinitride von Ce, Zn, Ti, Va, Pb, Ni oder Sn verwendet
werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische
Verbindung für die UV-Absorption durch teilreaktive, plasmagestützte
Hochrateverdampfung von CeO2, ZnO oder TiO2 unter Verwendung eines oxidierenden
Reaktivgases, vorzugsweise unter Verwendung von Sauerstoff, hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische
Verbindung für die UV-Absorption durch reaktive plasmagestützte
Hochrateverdampfung von Zn unter Verwendung eines oxidierenden Reaktivgases,
vorzugsweise unter Verwendung von Sauerstoff, hergestellt wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma
für die plasmagestützte Hochratebedampfung durch eine Vakuumbogenentladung,
eine Hohlkatodenglimmentladung oder eine ECR-Mikrowellenentladung erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma für die
plasmagestützte Hochratebedampfung durch eine Hohlkatodenbogenentladung
erzeugt wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder
mehrere Schichten einer anorganischen Verbindung für den Abriebschutz und eine
oder mehrere Schichten einer anorganischen Verbindung für die UV-Absorption
zeitlich nacheinander in beliebiger Reihenfolge auf das zu schützende Substrat
aufgedampft werden.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder
mehrere Mischschichten aus jeweils einer anorganischen Verbindung für den
Abriebschutz und einer anorganischen Verbindung für den UV-Schutz auf das zu schützende
Substrat aufgedampft werden.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
einzelnen Schichten in separaten Bedampfungszonen auf das zu schützende Substrat
aufgedampft werden, wobei das Substrat mit gleichförmiger Geschwindigkeit über
die nacheinander angeordneten Bedampfungszonen geführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mehrfach
über die gleiche Bedampfungszone geführt wird.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur
organischen Modifizierung der aufgedampften Schichten in mindestens eine der
Bedampfungszonen zusätzlich dampfförmige organische Monomere wie
siliziumorganische, metallorganische oder fluororganische Verbindungen oder
Kohlenwasserstoffe eingelassen werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass der
organischen Monomere gleichmäßig über die gesamte Bedampfungszone erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass der
organischen Monomere überwiegend am Anfang, in der Mitte oder am Ende der
Bedampfungszone erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass der
organischen Monomere vorzugsweise am Anfang der Bedampfungszone in einer
Weise erfolgt, dass zuerst nur die Moleküle des organischen Monomers und erst
danach die Moleküle der anorganischen Verbindung auf dem Substrat abgeschieden
werden.
19. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem
gleichförmig über drei Bedampfungszonen bewegten Substrat
in der ersten Bedampfungszone eine SiOx-Schicht für den Abriebschutz,
in der zweiten Bedampfungszone eine ZnOx-Schicht für die UV-Absorption und
in der dritten Bedampfungszone eine weitere SiOx-Schicht für den Abriebschutz
abgeschieden werden und in die erste und dritte Bedampfungszone ein organisches Monomer eingelassen wird.
in der ersten Bedampfungszone eine SiOx-Schicht für den Abriebschutz,
in der zweiten Bedampfungszone eine ZnOx-Schicht für die UV-Absorption und
in der dritten Bedampfungszone eine weitere SiOx-Schicht für den Abriebschutz
abgeschieden werden und in die erste und dritte Bedampfungszone ein organisches Monomer eingelassen wird.
20. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem
gleichförmig über zwei Bedampfungszonen bewegten Substrat
in der ersten Bedampfungszone eine SiOx/CeOx-Mischschicht mit höherem CeOx- Gehalt und
in der zweiten Bedampfungszone eine SiOx/CeOx-Mischschicht mit geringerem CeOx-Gehalt
aufgedampft wird, wobei in beiden Bedampfungszonen das SiOx und das CeOx jeweils aus gesonderten, unmittelbar benachbarten Verdampfertiegeln durch plasmagestützte Elektronenstrahl-Hochrateverdampfung von Quarz- bzw. CeO2-Granulat verdampft wird und der CeOx-Gehalt in der SiOx/CeOx-Mischschicht durch die Verweilzeit des Elektronenstrahls auf dem Quarz- bzw. CeO2-Verdampfertiegel eingestellt wird und wobei in jede Bedampfungszone ein organisches Monomer eingelassen wird.
in der ersten Bedampfungszone eine SiOx/CeOx-Mischschicht mit höherem CeOx- Gehalt und
in der zweiten Bedampfungszone eine SiOx/CeOx-Mischschicht mit geringerem CeOx-Gehalt
aufgedampft wird, wobei in beiden Bedampfungszonen das SiOx und das CeOx jeweils aus gesonderten, unmittelbar benachbarten Verdampfertiegeln durch plasmagestützte Elektronenstrahl-Hochrateverdampfung von Quarz- bzw. CeO2-Granulat verdampft wird und der CeOx-Gehalt in der SiOx/CeOx-Mischschicht durch die Verweilzeit des Elektronenstrahls auf dem Quarz- bzw. CeO2-Verdampfertiegel eingestellt wird und wobei in jede Bedampfungszone ein organisches Monomer eingelassen wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem ein Substrat mit einer UV-absorbierenden
Abriebschutzschicht hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem
Substrat
zunächst eine 2 bis 5 µm dicke organisch modifizierte SiOx-Schicht abgeschieden wird, wobei der Anteil der organischen Moleküle an der substratzugewandten Seite der Schicht Null bis 100% und an der substratabgewandten Seite der Schicht Null bis 50% beträgt,
darauf eine 0,2 bis 0,5 µm dicke ZnOx-Schicht ohne organische Modifizierung abgeschieden wird und
darüber eine weitere 2 bis 5 µm dicke organisch modifizierte SiOx-Schicht abgeschieden wird, wobei der Anteil der organischen Moleküle an der substratzugewandten Seite der Schicht Null bis 100% und an der substratabgewandten Seite Null bis 30% beträgt.
zunächst eine 2 bis 5 µm dicke organisch modifizierte SiOx-Schicht abgeschieden wird, wobei der Anteil der organischen Moleküle an der substratzugewandten Seite der Schicht Null bis 100% und an der substratabgewandten Seite der Schicht Null bis 50% beträgt,
darauf eine 0,2 bis 0,5 µm dicke ZnOx-Schicht ohne organische Modifizierung abgeschieden wird und
darüber eine weitere 2 bis 5 µm dicke organisch modifizierte SiOx-Schicht abgeschieden wird, wobei der Anteil der organischen Moleküle an der substratzugewandten Seite der Schicht Null bis 100% und an der substratabgewandten Seite Null bis 30% beträgt.
22. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem ein Substrat mit einer UV-absorbierenden
Abriebschutzschicht hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem
Substrat
zunächst eine 2 bis 5 µm dicke organisch modifizierte SiOx/CeOx-Mischschicht abgeschieden wird, wobei der CeOx-Anteil 10 bis 50% und der Anteil der organischen Moleküle an der substratzugewandten Seite Null bis 100% und an der substratabgewandten Seite Null bis 50% beträgt und
darauf eine weitere 2 bis 5 µm dicke organisch modifizierte SiOx/CeOx-Mischschicht abgeschieden wird, wobei der CeOx-Anteil 5 bis 20% und der Anteil der organischen Moleküle an der substratzugewandten Seite Null bis 100% und an der substratabgewandten Seite Null bis 30% beträgt.
zunächst eine 2 bis 5 µm dicke organisch modifizierte SiOx/CeOx-Mischschicht abgeschieden wird, wobei der CeOx-Anteil 10 bis 50% und der Anteil der organischen Moleküle an der substratzugewandten Seite Null bis 100% und an der substratabgewandten Seite Null bis 50% beträgt und
darauf eine weitere 2 bis 5 µm dicke organisch modifizierte SiOx/CeOx-Mischschicht abgeschieden wird, wobei der CeOx-Anteil 5 bis 20% und der Anteil der organischen Moleküle an der substratzugewandten Seite Null bis 100% und an der substratabgewandten Seite Null bis 30% beträgt.
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