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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Abscheiden
eines dielektrischen, reflexionsmindernden Kratzschutzschichtsystems,
das als Wechselschichtsystem aus dickeren niedrigbrechenden und
dünneren
hochbrechenden Schichten aufgebaut ist, auf die Oberseite eines
thermoplastischen Kunststoffsubstrats.
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Kunststoffoptiken
werden als Linsen in Kameras oder CD-Playern eingesetzt, Displays
aus Kunststoff finden sich in Autoradios, GPS-Empfängern oder
Telefongeräten.
Um störende
Reflexe zu vermeiden, müssen
diese Bauelemente entspiegelt werden. Damit die Oberflächen nicht
verkratzen, müssen
sie außerdem
gehärtet
werden.
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Eine
der Herausforderungen bei der Abscheidung kratzfester und reflexionsvermindernder Schichtsysteme
auf thermoplastischen Kunststoffsubstraten besteht darin, durch
geeignete Substratvorbehandlung eine ausreichende Haftfestigkeit
zu erzielen und während
dieser Vorbehandlung und der eigentlichen Schichtabscheidung das
Substrat keinen zu hohen Temperaturen auszusetzen.
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Reflexionsreduzierende
Schichtsysteme sind beispielsweise in
US
4057316 und
US 3854796 offenbart.
Verfahren zur Abscheidung von Kratzschutzschichten und reflexionsreduzierenden Schichten
auf einzelnen Linsen und Brillengläsern sind u. a. aus
DE 4338040 und
US 6126792 bekannt.
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Aus
dem "Fraunhofer
IOF Jahresbericht 2003" sowie
aus
DE 100 34 158
A1 sind Schichtsysteme bekannt, in welchen die beiden Funktionen
der Kratzfestigkeit und Entspiegelung kombiniert sind. Dabei werden
in eine harte, niedrigbrechende Schicht aus beispielsweise Siliziumdioxid
dünne Lagen
eines hochbrechenden Materials eingebaut, die einen Teil des einfallenden
Lichts genau so reflektieren, dass die ursprünglich an der Kunststoffoberfläche reflektierten
Lichtstrahlen durch Interferenz ausgelöscht werden. Schwierigkeiten
bereitet es dabei, diese AR-hard
® genannten
Schichtsysteme bei den für
thermoplastische Substrate wie etwa Polymethylmethacrylat (PMMA)
zulässigen
niedrigen Substrattemperaturen abzuscheiden und dennoch eine haftfeste
und umweltbeständige
Beschichtung zu erreichen. Dies gelingt bisher mittels eines aus
DE 197 52 889 C1 bekannten
Aufdampfverfahrens in Kombination mit einer Substratvorbehandlung
entsprechend
DE 197
03 538 A1 . Dabei wird die PMMA-Oberfläche mittels einer Plasmabehandlung
modifiziert, bei der ein Sauerstoff und Wasser enthaltendes Gas
zugeführt
wird, wodurch sich an der Substratoberfläche Methylen- und Hydroxylgruppen
ausbilden, die eine bessere Haftfestigkeit der Schichten ermöglichen. Während der
anschließenden
Aufdampfung des zuvor benannten Schichtsystems wird die aufwachsende
Schicht mit Argonionen beschossen, um das Schichtsystem zu verdichten
und eine gute Haftfestigkeit und Umweltbeständigkeit zu erzielen.
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Dieses
Verfahren eignet sich besonders für kleine Substrate wie einzelne
Linsen, Brillengläser oder
kleinere Sichtscheiben.
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Für andere
Sichtscheiben und Displays sind jedoch größere Substratformate vorgegeben
bzw. ist es im Hinblick auf eine wirtschaftliche Herstellung kleinerer
Sichtscheiben oder Displays für
beispielsweise Mobiltelefone wünschenswert,
das reflexionsmindernde Kratzschutzschichtsystem großflächig aufzubringen
und danach Elemente in dem gewünschten
Maß zuzuschneiden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie
eine Vorrichtung zur Herstellung der zuvor benannten reflexionsmindernden
Kratzschutzschichtsysteme wie beispielsweise des Schichtsystems
aus
DE 100 34 158
A1 zur Verfügung
zu stellen, die eine langzeitstabile großflächige Abscheidung des Schichtsystems
auf thermoplastischen Kunststoffsubstraten ermöglichen und mindestens gleich
gute optische und mechanische Eigenschaften wie bei dem herkömmlichen
Aufdampfen erzielen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass nach einer plasmagestützten
Substratvorbehandlung abwechselnd die niedrigbrechenden Schichten
mit Hilfe eines reaktiven Magnetron-Sputterprozesses mit hoher Sputterrate
abgeschieden werden und die hochbrechenden Schichten mit Hilfe eines
reaktiven Magnetron-Sputterprozesses mit geringer Sputterrate abgeschieden
werden. Als Substratvorbehandlung ist eine allgemein bekannte Glimmentladung
ausreichend.
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Die
niedrigbrechenden Schichten können
erfindungsgemäß vorteilhaft
mittels eines IMBAL®-geregelten reaktiven
Mittelfrequenz(MF)-Sputterprozesses mit Doppelmagnetron bei einem
Arbeitspunkt im oberen Übergangsbereich
einer materialspezifischen Hysteresekurve oder alternativ mittels
eines gepulsten reaktiven Gleichstrom(DC)-Sputterprozesses mit Einzelmagnetron
abgeschieden werden.
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Die
hochbrechenden Schichten können
erfindungsgemäß vorteilhaft
mittels eines intensitätsgeregelten
reaktiven MF-Sputterprozesses mit Doppelmagnetron bei einem Arbeitspunkt
im unteren Übergangsbereich
einer materialspezifischen Hysteresekurve oder alternativ mittels
eines reaktiven DC-Sputterprozesses vom keramischen Target mit fest
eingestelltem Reaktivgasfluss abgeschieden werden.
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Als
niedrigbrechende Schichten werden Schichten aus SiO2 oder
MgF2 in einer Schichtdicke im Bereich von
100 nm bis 250 nm bevorzugt.
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Als
hochbrechende Schichten können
vorteilhaft Schichten aus Oxiden oder Fluoriden von Elementen der
IV- oder V. Nebengruppe, beispielsweise TiO2,
Nb2O5, Ta2O5, ZrO2,
HfO2 oder ITO in einer Schichtdicke im Bereich
von 5 nm bis 15 nm abgeschieden werden.
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Der
erfindungsgemäße Sputterprozess
kann geeignet im Inline-Modus
oder im Mehrfach-Überlaufmodus
ausgeführt
werden.
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Die
Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
gelingt zudem mit Hilfe einer Vorrichtung zur Ausführung des
vorstehend angegebenen Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Inline-Magnetronsputteranlage
mit mindestens zwei Sputterquellen umfasst. Die Sputteranlage kann
dabei für
horizontal oder vertikal angeordnete Substrate vorgesehen sein oder kann
eine Magnetronsputteranlage mit rotierendem Target sein.
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Vorzugsweise
umfasst die erfindungsgemäße Sputteranlage
Einrichtungen zur Stabilisierung eines reaktiven Sputterprozesses,
beispielsweise Einrichtungen für
eine PEM®-
und/oder IMBAL®-Regelung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
zusammen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine langzeitstabile großflächige Abscheidung der
kratzfesten Entspiegelungs-Mehrschichtsysteme mit exzellenter Schichtdickengleichmäßigkeit
ohne komplizierte Substratvorbehandlung und daher mit geringerem
Verfahrensaufwand als bei dem bekannten Aufdampfverfahren und mit
gleich guten optischen Schichteigenschaften sowie mindestens gleich
guter Haftung und Umweltbeständigkeit.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind der folgenden detaillierten
Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels
sowie den anliegenden Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigt:
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1 qualitativ
den Zusammenhang zwischen dem Reaktivgaszufluss und verschiedenen Prozessparameter
für einen
reaktiven Magnetronsputterprozess; und
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2 eine
Prinzipskizze einer beispielhaften Sputteranordnung zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Als
kostengünstiges
Abscheideverfahren, das es gestattet, dünne Schichten großflächig reproduzierbar
abzuscheiden, hat sich das Magnetronsputtern technisch etabliert.
Hierbei wird ein Niedertemperaturplasma in einem Inertgas, z. B.
Argon, genutzt, um ein auf der Kathode liegendes Targetmaterial
abzutragen und auf einem gegenüberliegenden Substrat
abzuscheiden. Die abzuscheidenden Teilchen werden also im Gegensatz
zu CVD-Verfahren, bei
welchen das Schichtmaterial verdampft wird, was mit einer Temperaturerhöhung der
Beschichtungskammer und damit auch des Substrats einhergeht, beim
Sputtern mechanisch aus dem Target herausgeschlagen (zerstäubt) und
schlagen auf das Substrat bzw. die aufwachsende Schicht mit erhöhter Energie
auf, wodurch verfahrensimmanent eine höhere Haftfestigkeit und Schichtverfestigung
als bei Aufdampfprozessen zu erwarten ist und das Substrat gleichzeitig
minimal thermisch belastet wird. Damit ist das Magnetronsputtern
als potentielles Verfahren zum Aufbringen des eingangs erwähnten kratzfesten Entspiegelungsschichtsystems
interessant, vorausgesetzt es gelingt, durch geeignete Prozessführung die
geforderten optischen und mechanischen Eigenschaften zu erzielen.
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Für die Abscheidung
von Verbindungsschichten ist das reaktive Sputtern bekannt, bei
welchem dem Sputtergas noch ein Reaktivgas (Sauerstoff für Oxide)
zugemischt wird. Die Art der reaktiven Prozessführung, die u. a. durch die
Art und den Betrag des Reaktivgasflusses und die applizierte Leistungsdichte
und damit die Sputterrate bestimmt wird, entscheidet dabei über die
Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht. Die Prozessführung ist
daher nicht von einem bekannten Schichtsystem auf ein neuartiges übertragbar.
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1 veranschaulicht
in einer graphischen Darstellung den qualitativen Zusammenhang zwischen
Reaktivgaszufluss und Spannung, Intensität des Plasmas sowie Sputterrate,
die mit der Intensität des
Plasmas korreliert, für
einen reaktiven Magnetronsputterprozess. Es ist zu erkennen, dass
bei Erhöhung
des Reaktivgasflusses (Sauerstoff im Falle oxidischer Verbundschichten)
der Prozess aus dem metallischen Modus (links oben) in den reaktiven
Modus (rechts unten) abkippt. In Letzterem ist die Sputter- und
damit Abscheiderate gering, aber die Schichten sind stöchiometrisch.
Bei einem Arbeitspunkt im metallischen Modus ergeben sich stark
unterstöchiometrische
Schichten mit geringem Reaktivgasanteil. Die wichtigste Herausforderung
bei der reaktiven Prozessführung
besteht darin, stabil in dem dazwischen liegenden Übergangsbereich
zu arbeiten, der nicht allein durch den Reaktivgaseinlass regelbar
ist.
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Es
ist uns nun gelungen, das eingangs erwähnte Schichtsystem mit Hilfe
eines Magnetronsputterverfahrens großflächig auf einem thermoplastischen
Kunststoff abzuscheiden und dabei die gewünschten optischen Eigenschaften
und sogar eine bessere Haftfestigkeit und Umweltbeständigkeit
als bei dem auf herkömmliche
Weise abgeschiedenen gleichartigen Schichtsystem zu erzielen, und
zwar durch abwechselnde Abscheidung der niedrigbrechenden Schichten
mit Hilfe eines reaktiven Magnetron-Sputterprozesses mit hoher Sputterrate
und der hochbrechenden Schichten mit Hilfe eines reaktiven Magnetron-Sputterprozesses
mit geringer Sputterrate. Dafür
war eine herkömmliche
Substratvorbehandlung wie etwa eine allgemein bekannte Glimmentladung
ausreichend.
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Als
geeigneter Prozessschritt zur Abscheidung der niedrigbrechenden
Schichten hat sich zum einen ein IMBAL®-geregelter
reaktiver Mittelfrequenz(MF)-Sputterprozess mittels einer Doppelmagnetronanordnung
und zum anderen ein gepulster reaktiver Gleichstrom(DC)-Sputterprozess
mittels einer Einzelmagnetronanordnung erwiesen. Die IMBAL®-Regelung
der Anmelderin, welche detailliert in "Balanceregelung für reaktives Magnetronsputtern zur
optischen Großflächenbeschichtung,
Vakuum in Forschung und Praxis, (2000), Nr. 2 ausgeführt ist, ermöglicht eine
schnelle Regelung des Reaktivgaszuflusses (d. h. mit einer Zeitkonstante
deutlich unter 100 ms) und damit ein stabiles Arbeiten im so genannten
Transition-Mode mit Arbeitspunkten auf der in 1 durch
Quadrate gekennzeichneten materialspezifischen Hysteresekurve. Entscheidend
beim erfindungsgemäßen Abscheiden
der niedrigbrechenden Schichten ist, dass der Arbeitspunkt des Sputterprozesses
in den oberen Übergangsbereich
der materialspezifischen Hysteresekurve gelegt wird, infolgedessen
sich leicht unterstöchiometrische
Schichten ausbilden, welche die gewünschten Schichteigenschaften
begünstigen.
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Als
geeigneter Prozessschritt zur Abscheidung der hochbrechenden Schichten
hat sich zum einen ein intensitätsgeregelter
reaktiver MF-Sputterprozess mittels Doppelmagnetronanordnung und zum
anderen ein reaktiver DC-Sputterprozess vom keramischen Target,
bei dem der Reaktivgasfluss fest eingestellt wird, erwiesen. Die
Intensitätsregeung
gelingt beispielsweise mit Hilfe der PEM®-Regelung
(Plasma-Emissions-Monitor)
der Anmelderin, die ebenfalls in "Balanceregelung für reaktives Magnetronsputtern
zur optischen Großflächenbeschichtung,
Vakuum in Forschung und Praxis, (2000), Nr. 2 ausgeführt ist.
Entscheidend beim erfindungsgemäßen Abscheiden
der hochbrechenden Schichten ist, dass der Arbeitspunkt des Sputterprozesses
in den unteren Übergangsbereich
der materialspezifischen Hysteresekurve aus 1 gelegt
wird. So ergeben sich die gewünschten
Schichteigenschaften, wobei die mit dem vollreaktiven Prozess einhergehenden geringen
Abscheideraten wegen der hier relevanten geringen Schichtdicken
von lediglich einigen Nanometern keinen wesentlichen nachteiligen
Zeitfaktor darstellen. Den höheren
Targetkosten bei der Abscheidung vom keramischen Target steht der
Vorteil gegenüber,
dass mit einem solchen bei geringen Reaktivgaspartialdrücken und
ohne zusätzliche
schnelle Regelung des Reaktivgaszuflusses gearbeitet werden, wodurch
sich der Verfahrensaufwand insgesamt verringert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in einer Inline-Beschichtungsanlage,
wie sie von der Anmelderin vertrieben wird, ausgeführt werden.
Eine solche Anlage umfasst üblicherweise
mehrere Vakuumkammern, darunter eine Einschleusekammer, Vorbehandlungskammer(n),
Beschichtungskammer(n), optionale Nachbehandlungskammer(n) und eine
Ausschleusekammer, durch welche die Substrate durchgeführt werden. 2 zeigt
die Prinzipskizze einer Planar-Doppelmagnetron-Sputteranordnung, wie
sie in einer der Beschichtungskammern der Inlineanlage enthalten
sein kann, zusammen mit den für die
Schichtabscheidung wesentlichen Regelmöglichkeiten.
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Zur
Abscheidung von oxidischen Verbindungsschichten wird in dem Beschichtungsraum
zwischen dem auf der Kathode liegenden Target 2 und dem
durch die Kammer laufenden Substrat 3 ein Plasma 10 erzeugt.
Dabei wird Argon als Sputtergas sowie Sauerstoff 8 als
Reaktivgas eingelassen. Im elektrischen Feld zwischen Anode und
Kathode beschleunigte und durch das Magnetfeld der Magnetrons 1 geführte Argonionen
treffen auf das Targetmaterial 2 auf und zerstäuben dieses.
Die abgesputterten Targetteilchen reagieren mit dem Reaktivgas und scheiden
sich als Verbindungsschicht auf dem Substrat 3 ab. Ein
Regelkreis (4, 5, 6,) nutzt die in-situ-Messung 4 der
Intensität
von Spektrallinien des gesputterten Targetmaterials, um in Bezug
auf einen Sollwert für
die Intensität 7 die
Zufuhr 8 des Reaktivgases Sauerstoff in Abhängigkeit
von dem gemessenen Intensitätssignal
zu regeln (5, 6). Für das vorliegende Schichtsystem
kam der bei der Anmelderin der vorliegenden Erfindung zu beziehende PEM®05-Regelkreis für die hochbrechenden
Schichten bzw. der ebenfalls bei der Anmelderin zu beziehende IMBAL®-Regelkreis
zum Einsatz. Alternativ könnte
jedes andere schnelle Regelungssystem genutzt werden, das eine Abscheidung
bei einem stabilen, definierten Arbeitspunkt des reaktiven Sputterprozesses
garantiert.
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Die
Schichtabscheidung erfolgte in einer Inline-Anlage im Mehrfach-Überlaufmodus
(multiple pass mode) abwechselnd über zwei verschiedenen Sputterquellen
(für die
hoch- bzw. die niedrigbrechenden Schichten). Bei ausreichend vielen
hintereinander angeordneten Sputterquellen könnte die Schichtabscheidung
auch in einem Einfachdurchlauf erfolgen. Dieser Vorgang wurde im
so genannten Sputter-Up-Verfahren, bei dem das Substrat über der Sputterquelle
hinwegbewegt wird, und im so genannten Sputter-Down-Verfahren, bei
dem das Substrat unter der Sputterquelle hinwegbewegt wird, ausgeführt.
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Für die Herstellung
von Schichten mit geringer Defektdichte in der abgeschiedenen Schicht kann
das erfindungsgemäße Verfahren
auch in einer Anlage, die als vertikale Anlage ausgeführt ist,
durchgeführt
werden. Dabei kann vermieden werden, dass parasitäre Partikel
auf das Substrat oder das Target fallen. In einer derartigen Anlage
steht das Substrat meist nicht exakt senkrecht, sondern in einem
Winkel kleiner 10° zur
Senkrechten geneigt.
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Das
Verfahren kann auch unter Verwendung einer Magnetronvorrichtung
mit rotierendem Target (so genanntem rotatable magnetron oder C-MAG) durchgeführt werden.
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Als
beispielhaftes Schichtsystem wurde mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einer Polycarbonat(PC)-Schutzscheibe ein aus neun Schichten
bestehendes Wechselschichtsystem aus abwechselnd niedrigbrechendem
SiO2 und hochbrechendem TiO2 aufgebracht.
Schichten aus dem die Kratzfestigkeit vermittelnden SiO2-Material
bildeten dabei die substrat- sowie umweltseitig äußerste Schicht sowie weitere
drei Schichtlagen, jeweils mit einer Schichtdicke im Bereich von
100 nm bis 250 nm. Zwischen diesen wurden Schichtlagen aus TiO2, jeweils mit einer Schichtdicke im Bereich
von 5 nm bis 15 nm, abgeschieden. Das derart mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
abgeschiedene reflexionsmindernde Kratzschutzschichtsystem weist
eine hohe Kratzfestigkeit auf und zeigt gleichzeitig eine sehr gute
Entspiegelungswirkung mit einer Reflexion kleiner 0,5 % im sichtbaren
Spektralbereich. Außerdem
genügen
die Schichten den üblichen
Normen hinsichtlich Haftfestigkeit und Umweltbeständigkeit.
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- 1
- Magnetron
- 2
- Target
- 3
- durchlaufendes
Substrat
- 4
- Intensitätsmessung
- 5
- PEM®-Regelung
- 6
- Regelventil
für Reaktivgaseinlass
- 7
- Sollwert
für Intensität
- 8
- Reaktivgaszufuhr
- 9
- Generatorleistung
- 10
- Plasma
- 11
- Dunkelfeldabschirmung