DE102006059775A1

DE102006059775A1 - Beschichtung für Formwerkzeuge

Info

Publication number: DE102006059775A1
Application number: DE200610059775
Authority: DE
Inventors: Ulrike Dr. Stöhr
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-06-19
Also published as: WO2008071441A3; WO2008071441A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zum Pressen optischer Bauteile aus Glas und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Formwerkzeugs zum Pressen optischer Bauteile aus Glas. Das Formwerkzeug umfasst eine Beschichtung mit Tantal als wesentlichem Bestandteil. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen zumindest eines Targets, welches als Material Tantal umfasst, Bereitstellen zumindest eines Formwerkzeugs, Bewegen des Targets und des Formwerkzeugs relativ zueinander, Aufbringen wenigstens einer Beschichtung auf zumindest einem Abschnitt einer Formoberfläche des Formwerkzeugs mittels PVD, vorzugsweise mittels Sputtern, Steuern der Zusammensetzung der Beschichtung mittels der Relativgeschwindigkeit von Target und Formwerkzeug zueinander.

Description

Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formwerkzeug und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Formwerkzeugs zum Pressen optischer Bauteile aus Glas.
Hintergrund der Erfindung
Ein solches Formwerkzeug ist beispielsweise ein Formblock und wird zum Blank- oder Präzisionspressen optischer Bauteile oder optischer Bauelemente, wie etwa Linsen und/oder Prismen, eingesetzt. Formblöcke zum Blank- bzw. Präzisionspressen optischer Bauteile, insbesondere aus Glas, umfassen in vielen Anwendungsfällen eine Oberform und eine Unterform. Im Formblock wird ein viskoser Glasposten zwischen Ober- und Unterform heissgeformt. Dazu wird ein erhitzter Vorformling aus Glas mit einer geeigneten Viskosität in die ebenfalls erhitzte Form eingebracht und/oder der Vorformling bis zu einer geeigneten Viskosität innerhalb des Formblocks erhitzt, durch Pressen verformt und abgekühlt.
Ein Vorteil blankgepresster Bauteile liegt darin begründet, dass die optisch aktiven Flächen nicht mehr nachbearbeitet werden müssen, so dass nachträgliche Arbeitsgänge wie Schleifen und Polieren entfallen können.
Die Güte der optisch aktiven Flächen, wie beispielsweise eine geringe Oberflächenrauigkeit, wird maßgeblich auch durch die Güte der Oberflächen der Formwerkzeuge, der sogenannten Formoberflächen, beeinflusst. Dabei werden die Formoberflächen der Formwerkzeuge zum Blankpressen optischer Bauteile in der Regel mit einer Beschichtung versehen.
Eine solche Beschichtung erfüllt im wesentlichen folgende Aufgaben: Zum einen bewirkt sie einen Schutz der Formoberfläche vor einer Oxidation und einer damit meist einhergehenden Vergrößerung der Oberflächenrauigkeit. Zum anderen dient sie als Verschleißschutz gegen mechanische Belastung, wie zum Beispiel Verkratzen bei der Handhabung. Weiterhin wirkt sie als Anti-Klebeschicht gegen ein lokales Verkleben von Formmaterial, wie Glas, und Formwerkzeug. Das Formwerkzeug wird nachfolgend auch als Form bezeichnet. Die Oberflächenrauigkeit der Formflächen ist zunächst durch die Rauigkeit der Oberfläche des unbeschichteten Formwerkzeugs bestimmt und soll durch die Beschichtung möglichst wenig erhöht werden.
Eine Klasse von Beschichtungen für Formwerkzeuge, die sich als geeignet erwiesen haben, ist die Klasse der Edelmetallbeschichtungen, welche beispielsweise durch Sputtern aufgebracht werden können. Eine bekannte Zusammensetzung einer solchen Beschichtung ist beispielsweise in der EP 1 428 801 A2 beschrieben. Für das Blankpressen werden dabei beispielsweise als Schichtzusammensetzungen Pt, Ir, Re und Mo oder Pt, Ir, Re und Cr verwendet. Bei den bekannten Beschichtungen läßt sich bei zunehmender Beschichtungsdicke eine Vergrößerung der Oberflächenrauigkeit beobachten. Jedoch können dickere Schichten vorteilhaft sein: Im Laufe der Einsatzdauer einer Form kann diese an der Oberfläche z. B. durch Handhabung, durch den wiederholten Kontakt mit dem zu verpressenden Objekt etc. lokal geschädigt werden. Z. B. können leichte Kratzer, Beläge o. ä. auftreten, die sich in manchen Fällen durch lokales Nachpolieren der betreffenden Stellen wieder beheben lassen. Je dicker die Beschichtung einer Formoberfläche ist desto öfter kann dieser Vorgang wiederholt werden ohne die gesamte Schicht bis auf den Grundwerkstoff abzupolieren. Damit wird also letztendlich die Gesamteinsatzdauer der Form vor erneuter Komplettüberarbeitung und Wiederbeschichtung erhöht.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung daher zur Aufgabe gestellt, ein Formwerkzeug zum Pressen optischer Bauteile und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Formwerkzeugs zum Pressen optischer Bauteile aus Glas bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile des Standes des Technik vermeiden.
Insbesondere soll die Rauigkeit der Formoberflächen eines Formwerkzeugs durch die Beschichtung bis zu einer bestimmten Beschichtungsdicke nicht wesentlich vergrößert werden.
Ferner soll die Beschichtung eine verbesserte chemische Beständigkeit besitzen und ein Anhaften oder Kleben des herzustellenden Bauteils an den Formoberflächen des Formwerkzeugs zumindest reduzieren.
Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Formwerkzeug zum Pressen optischer Bauteile aus Glas und ein Verfahren zum Beschichten eines Formwerkzeuges zum Pressen optischer Bauteile aus Glas gemäß der unabhängigen Ansprüche.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
In einer ersten Ausführungsform beansprucht die vorliegende Erfindung ein Formwerkzeug, zum Pressen optischer Bauteile aus Glas, mit einer Formoberfläche umfassend eine Beschichtung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Beschichtung als Bestandteil zumindest Ta (Tantal) aufweist.
Das Formwerkzeug oder die Form ist ein Werkzeug zum Formen des optischen Bauteils. Das Formwerkzeug stellt ganz oder teilweise das Negativ eines zu fertigenden Werkstücks, hier eines optischen Bauteils oder eines optischen Bauelementes, dar und dient insbesondere zur Aufnahme des Werkstoffs, hier des Glases.
Die optischen Bauteile oder die optischen Bauelemente sind Körper, vorzugsweise aus Glas, wie beispielsweise Linsen, Prismen und/oder Spiegel, welche in optischen Systemen eingesetzt werden. Solche optischen Systeme finden ihre Anwendung beispielsweise in der Informations-, Mess-, Licht-, Belichtungs- und/oder Beleuchtungstechnik. Die Formoberfläche des Formwerkzeugs ist oder wird zumindest abschnittsweise durch die Beschichtung gebildet. Die Formoberfläche beschreibt die Oberfläche des Formwerkzeugs, welche, insbesondere während des Pressens, in Kontakt mit dem zu formenden optischen Bauteil, insbesondere mit den optisch aktiven Flächen des zu formenden optischen Bauteils, kommt. Eine optisch aktive Fläche beschreibt die Oberfläche des optische Bauteils, an denen das eintretende oder austretende Licht beispielsweise gebrochen, reflektiert und/oder transmittiert wird. Um gleichmäßige Qualität zu gewährleisten, wird oder ist die Formoberfläche des Formwerkzeugs in einer bevorzugten Ausführungsform vollständig durch die Beschichtung gebildet.
Der Bestandteil Tantal in der Beschichtung bewirkt ein vermindertes Anhaften des Glases an dem Formwerkzeug, eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und somit letztendlich auch eine verlängerte Formstandzeit. Zudem wird das Aufbringen größerer Schichtdicken mit geringer Rauigkeit, welches nachfolgend noch weiter ausgeführt wird, ermöglicht. Im Laufe der Einsatzdauer einer Pressform kann es notwendig werden, diese zumindest lokal nachzupolieren. Dies setzt allerdings voraus, dass die Beschichtung eine bestimmte Mindestdicke aufweist, da ansonsten die Gefahr besteht, dass die Schicht an diesen Stellen abgetragen wird. Je höher die Schichtdicke ist, desto öfter ist es möglich, solche Polituren durchzuführen ohne die gesamte Formoberfläche neu überarbeiten und beschichten zu müssen.
Hierbei weist die Beschichtung einen Anteil an Ta von etwa 1 Gew.% bis etwa 100 Gew.%, bevorzugt von etwa 5 Gew.% bis etwa 50 Gew.% (Gewichtsprozent) auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtung einen Anteil von etwa 30 Gew.% bis etwa 40 Gew.% auf. In einer alternativen Ausführungsform besteht die Beschichtung im wesentlichen aus Tantal, wobei jedoch geringfügige Bestandteile oder Komponenten, beispielsweise als Verunreinigungen, weiterhin enthalten sein können.
Sofern die Beschichtung nicht aus Tantal besteht, sind in der Beschichtung noch weitere Komponenten enthalten. Die Beschichtung umfasst als weitere Bestandteile zumindest ein Material, welches aus der Gruppe von Pt, Rh, Ir, Mo, Cr, W, Nb, Pd, Re, Au und Ni ausgewählt ist oder wird. Die angeführten Materialien sind beispielhaft zu verstehen und beschränken sich keinesfalls auf die genannte Auswahl. Die Beschichtung liegt dann als eine Legierung vor, und/oder als ein Mehrschichtsystem aus Einzelelementen. Die Legierung im Sinne der Erfindung definiert sich durch das Vorhandensein mehrerer unterschiedlicher Bestandteile oder Komponenten in der Beschichtung.
In einer Ausführungsform weist die Beschichtung einen Anteil an Ir von etwa 1 Gew.% bis etwa 100 Gew.%, bevorzugt von etwa 20 Gew.% bis etwa 80 Gew.%, besonders bevorzugt von etwa 30 Gew.% bis etwa 50 Gew.% auf. Der Anteil an Pt und Rh in der Beschichtung beträgt etwa 1 Gew.% bis etwa 100 Gew.%, bevorzugt etwa 10 Gew.% bis etwa 40 Gew.%. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt dieser etwa 20 Gew.% bis etwa 30 Gew.%. Das Verhältnis von Rh zu Pt liegt in einem Bereich von Null zu etwa 0,3. Rh erhöht die Schichthärte und die chemische Beständigkeit der Schicht. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis bei etwa 0,3. Die Komponenten bewirken in Kombination insbesondere eine erhöhte Härte und chemische Beständigkeit der Formoberfläche.
Bei einer Mehrzahl von Komponenten liegen diese in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Beschichtung als Mischung vor. Unter einer Mischung wird verstanden, dass die sich die einzelnen Komponenten im wesentlichen nicht in einzelnen Schichten anlagern. Die Komponenten sind vielmehr im wesentlichen zufällig in axialier, d. h. parallel zur Oberflächennormalen, und lateraler Richtung verteilt, so dass sich mikroskopisch eine im wesentlichen homogene oder gleichmäßige Verteilung, insbesondere entsprechend ihrem Anteil an der Beschichtung, der Komponenten in der Beschichtung ergibt. Beispielsweise liegen hierbei in einer Monolage von Atomen Komponenten einer ersten Sorte benachbart zu Atomen zumindest einer zweiten Komponente.
Vorteilhafte Verfahren zum Aufbringen oder Abscheiden der Beschichtung stellen PVD-Verfahren, hierbei insbesondere das Sputtern, dar. Vorzugsweise unter Anwendung eines PVD-Verfahrens läßt sich eine Beschichtung mit den vorstehend bezeichneten Eigenschaften dadurch erreichen, dass zumindest ein Teil der Komponenten oder alle Komponenten bereits als Legierung aufgebracht sind oder werden. Das Target wird hierbei durch eine Legierung gebildet. Die einzelnen Komponenten der Beschichtung liegen bereits in der Legierung, insbesondere gemischt oder homogen verteilt, vor. Die Materialeigenschaften des Targets können in einer solchen Ausführung im wesentlichen unverändert auf die Materialeigenschaften der Beschichtung übertragen werden. In einer Ausführungsform wird das Target als eine Tantal umfassende Legierung bereitgestellt.
Als Alternative und/oder als Ergänzung zu einer Legierung wird eine Mehrzahl von Targets verwendet. Jedes Target weist hierbei vorzugsweise jeweils zumindest eine Komponente, insbesondere ein im wesentlichen reines Metall, der Beschichtung auf. Mögliche Komponenten sind bereits vorstehend aufgeführt.
Die vorstehend beschriebene Mischung der Komponenten in der Beschichtung wird insbesondere durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt. Entsprechend liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten eines Formwerkzeuges zum Pressen optischer Bauteile aus Glas umfassend die folgenden Schritte:

– Bereitstellen zumindest eines Targets, welches insbesondere als Material Tantal umfasst,
– Bereitstellen zumindest eines Formwerkzeugs,
– Aufbringen oder Abscheiden wenigstens einer Beschichtung auf zumindest einem Abschnitt einer Formoberfläche des Formwerkzeugs mittels PVD, vorzugsweise mittels Sputtern,

Dazu wird – das Formwerkzeug gegenüber dem ortsfesten Target gedreht. Die Targets sind vorzugsweise ortsfest. Die Substrate können bei einer Weiterbildung der Erfindung um zumindest 2 verschiedene, unabhängige Achsen gedreht werden.
Die Zusammensetzung der Beschichtung ist durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung von Target und Formwerkzeug zueinander einstellbar oder eingestellt. Durch die Relativbewegung wird insbesondere die Morphologie, d. h. der Schichtaufbau beeinflusst. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Zusammensetzung die örtliche Verteilung der Komponenten in der Beschichtung, den Anteil der Komponenten an der Beschichtung, die Rauigkeit der Beschichtung, die Dicke der Beschichtung und/oder die Dicke einzelner Schichten, welche nachfolgend beschrieben werden.
Vorzugsweise wird die Beschichtung mit einer Rate von etwa 1 bis etwa 5 μm/min aufgebracht, bevorzugt von etwa 10 bis etwa 50 nm/min aufgebracht, besonders bevorzugt von etwa 30 bis etwa 40 nm/min aufgebracht. Bei einer Vielzahl von Targets wird das Zerstäuben der einzelnen Targets separat gesteuert oder ist steuerbar, so dass sich individuelle Beschichtungsraten und Zusammensetzungen im Sinne von Anteilen der jeweiligen Komponenten einstellen lassen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich somit eine Beschichtung herstellen, in der die einzelnen Komponenten, wie vorstehend beschrieben, als Mischung vorliegen. Diese lassen sich vorzugsweise bei einer Relativgeschwindigkeit von 0–10 cm/sec, bevorzugt ca. 5–7 cm/sec. zwischen Target und Substrat erzeugen. Demgegenüber läßt sich bei abnehmender Relativgeschindigkeit von Target und Formwerkzeug zueinander eine Beschichtung erzeugen, die aus einzelnen Schichten aufgebaut ist. Somit ist in einer weiteren Ausführungsform die Beschichtung aus einzelnen Schichten aufgebaut. Die Bestandteile liegen hierbei im wesentlichen ausschließlich oder diskret in den einzelnen Schichten vor.
Die Dicke der einzelnen Schichten beträgt etwa 1 nm bis etwa 200 nm, bevorzugt etwa 5 nm bis etwa 70 nm, besonders bevorzugt etwa 5 nm bis etwa 15 nm. Die Dicke der abschließenden Schicht beträgt etwa 5 nm bis etwa 1000 nm, bevorzugt etwa 15 nm bis etwa 100 nm, besonders bevorzugt etwa 15 nm bis etwa 45 nm. Vorzugsweise weist die abschließende Schicht als zumindest eine Komponenten immer Iridium auf. Unabhängig von der Verteilung und der Zusammensetzung der Beschichtung beträgt die Dicke oder die Gesamtdicke der Beschichtung etwa 50 nm bis etwa 10000 nm, bevorzugt etwa 100 nm bis etwa 5000 nm. In einer besonders bevorzugt Ausführungsform beträgt die Gesamtdicke etwa 100 nm bis etwa 1500 nm.
Durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Beschichtung läßt sich bei vorgegebener Schichtdicke eine verringerte Rauigkeit der Formoberfläche erzielen. Entsprechend ist das Formwerkzeug auch dadurch gekennzeichnet, dass dessen Formoberfläche, insbesondere bei einer Gesamtdicke der Beschichtung von kleiner als 5000 nm, bevorzugt von kleiner als 1500 nm, eine Rauigkeit R_a von kleiner als etwa 10 nm, bevorzugt von kleiner als etwa 5 nm, besonders bevorzugt von kleiner als etwa 3 nm aufweist.
Zudem liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung von Tantal als zumindest eine Komponente einer Beschichtung einer Formoberfläche eines Formwerkzeugs zum Pressen optischer Bauteile aus Glas.
Das erfindungsgemäße Formwerkzeug eignet sich zur Herstellung von Linsen, Prismen, optischen Fenstern, daraus hergestellten optischen Bauteilen, sowie optischen Komponenten für die Digitale Projektion, Photolithographie, Steppern, Excimerlasern, Wafern, Computerchips sowie integrierten Schaltungen und elektronischen Geräten, die solche Schaltungen und Chips enthalten, sowie für die Telekommunikation, Optische Nachrichtentechnik und/oder Informationsübertragung, Optik und/oder Beleuchtung im Sektor Automotive, Sensorik, Mikroskopie, Medizintechnik, Sichtoptik für Jagd und Beobachtung, Ferngläser, Spektive und/oder Teleskope.
Ferner beansprucht die vorliegende Erfindung auch ein optisches Bauteil aus Glas, welches herstellbar, insbesondere hergestellt, ist mittels eines Formwerkzeugs mit den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmalen. Das optische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt seiner Oberfläche, insbesondere seiner optisch aktiven Oberfläche, eine Rauigkeit R_a von kleiner als etwa 10 nm bevorzugt von kleiner als etwa 3 nm besonders bevorzugt von kleiner als etwa 2 nm aufweist.
Bei dem Glas kann es sich beispielsweise um zumindest eines der folgenden Gläser handeln: Fluor-Kron-Gläser, Phosphor- Kron-Gläser, Phosphor-Schwer-Kron-Gläser, Bor-Kron-Gläser, Barium-Leicht-Kron-Gläser, Kron-Gläser, Zink-Kron-Gläser, Barium-Kron-Gläser, Schwer-Kron-Gläser, Kron-Flint-Gläser, Barium-Leicht-Flint-Gläser, Doppel-Schwer-Kron-Gläser, Lanthan-Kron-Gläser, Doppel-Leicht-Flint-Gläser, Barium-Flint-Gläser, Leicht-Flint-Gläser, Flint-Gläser, Barium-Schwer-Flint-Gläser, Lanthan-Flint-Gläser, Lanthan-Schwer-Flint-Gläser, Schwer-Flint-Gläser, Tief-Kron-Gläser, Tief-Flint-Gläser, Lang-Kron-Sondergläser, Tief-Schwer-Flint-Gläser, Kurz-Flint-Gläser, Kurz-Flint-Sondergläser.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungbeispiele im Einzelnen erläutert. Hierzu wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die gleichen Bezugszeichen in den einzelnen Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Formstation.
2.a zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Ausschnitts Z aus 1 in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
2.b zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Ausschnitts Z aus 1 in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
2.c zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Ausschnitts Z aus 1 in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht schematisch das Aufbringen der Beschichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
4.a zeigt beispielhaft in einer schematischen Darstellung die erwartete Ausbeute einer SIMS-Analyse der Beschichtung aus 2.a als Funktion der Sputterzeit.
4.b zeigt beispielhaft in einer schematischen Darstellung die erwartete Ausbeute einer SIMS-Analyse der Beschichtung aus 2.b als Funktion der Sputterzeit.
5.a und 5.b zeigen das Ergebnis einer AFM-Untersuchung (der Oberflächenrauigkeit) einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Beschichtung.
6.a und 6.b zeigen die Rauigkeit einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Beschichtung als Funktion der Schichtdicke.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Formstation mit einem Formblock 1, der durch eine Oberform 2 und Unterform 3 gebildet ist. Mittel zum Beheizen und zum Führen des Formblocks sind nicht dargestellt. Das erfindungsgemäße Formwerkzeug 1 ist als Formblock 1, im Detail als Oberform 2 und Unterform 3 des Formblocks 1, ausgebildet. Zwischen der Ober- und der Unterform 2, 3 ist das zu formende Material 5 angeordnet.
Das zu formende Material 5 ist beispielsweise Glas oder optisches Glas und wird als ein sogenannter Vorformling bereitgestellt, welcher zwischen der Ober- und Unterform 2, 3 zu einer Linse gepresst werden soll. Eine solche Linse besitzt beispielsweise einen Durchmesser und eine Mittendicke in der Größenordnung von 30 mm bzw. 4 mm. Die vorliegende Erfindung kann auch ein Formwerkzeug zum Pressen optischer Bauteile aus einem Formmaterial 5, wie Glas und/oder Glaskeramik, betreffen, wobei die Formoberfläche 4a eine Beschichtung 4 umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Beschichtung 4 als Bestandteil zumindest Tantal aufweist.
Die Formstation selbst kann insbesondere Bestandteil einer nicht dargestellten Pressformmaschine sein, welche beispielsweise drei Formstationen aufweist, in der das Formmaterial 5 aufgeheizt, gepresst und abschließend abgekühlt wird. Geeignete Materialien für die Bestandteile des Formblocks 1 sind Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Beispiele sind Hartmetalle, wie Wolframcarbid und/oder keramische Werkstoffe, wie SiC, Si₃N₄, AlN. Neben der geforderten hohen Wärmeleitfähigkeit weisen diese Materialien eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei Temperaturen von etwa 650°C auf. Da sich solche Materialien im allgemeinen relativ schwierig und damit auch kostenaufwendig bearbeiten lassen, können alternativ dazu auch hitzbeständige Stähle verwendet werden. Die Formoberfläche 4a der Unter- und die Oberform 2, 3 wird jeweils durch eine erfindungsgemäße Beschichtung 4 gebildet. Eine beispielhafte Beschichtung umfasst die Komponenten Ta, mit einem Anteil von etwa 35 Gew.%, Ir, mit einem Anteil von etwa 40 Gew.% und Pt und Rh, mit einem summierten Anteil von etwa 25 Gew.% und in einem Verhältnis Pt:Rh von 1:0,3.
2.a zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Ausschnitts Z aus 1 gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Hierbei liegen die einzelnen Komponenten in der Beschichtung als Mischung vor. Einzelne Atomlagen der Beschichtung weisen dabei unterschiedliche Komponenten auf.
2.b zeigt wiederum eine vergrößerte Detailansicht des Ausschnitts Z aus 1 gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform. Hierbei liegen die einzelnen Komponenten im wesentlichen getrennt in einzelnen Schichten 6, 7, 8 vor. Beispielhaft ist eine Beschichtung 4 dargestellt, welche aus sechs einzelnen Schichten 6, 7, 8 aufgebaut ist, die im wesentlichen jeweils Ta, Ir bzw. Pt und Rh aufweisen. Die Beschichtung 4 ist vorliegend periodisch aus einzelnen Schichten 6, 7, 8 aufgebaut. Die abschließende Schicht, welche in Kontakt mit dem Formmaterial 5 kommt, wird durch die Schicht 6 gebildet, die im wesentlichen Tantal aufweist. An den Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten 6, 7, 8 kann es zu einem Vermischen oder Ineinanderfließen der einzelnen Schichten 6, 7, 8 kommen. Hierbei kann sich zwischen den einzelnen Schichten 6, 7, 8 eine nicht dargestellte Gradientenschicht ausbilden, in welcher der Anteil der betreffenden Komponenten jeweils zu- bzw. abnimmt.
2.c zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Ausschnitts Z aus 1 in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer aus drei Schichten 6, 7, 8 aufgebauten erfindungsgemäßen Beschichtung 4. Zwischen der Beschichtung 4 und der Unterform 3 ist zusätzlich, wie es bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, noch eine Haftvermittlerschicht 9 angeordnet.
3 illustriert das Prinzip des Abscheidens der Beschichtung 4 mittels eines Sputterprozesse gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Mittel zum Betreiben des Sputterprozesses, wie Mikrowellengenerator, Vakuumeinrichtungen, Gaszuführungen und Steuereinrichtung sind nicht dargestellt.
Die einzelnen Targets 16, 17 und 18 sind auf einem Teller 15, angeordnet. Im Detail sind die Targets 16, 17 und 18 nebeneinander in einer Ebene angeordnet. Gegenüberliegend zum Teller 15 ist als zu beschichtendes Substrat die Oberform 2 bzw. Unterform 3 derart ausgerichtet angeordnet, dass auf der zunächst unbeschichteten Formoberfläche 4a die erfindungsgemäße Beschichtung 4 abgeschieden werden kann. Die Unterform 3 kann hierbei sowohl um die Achse 20, als auch um die Achse 21 rotieren. Zur Vereinfachung wird nachfolgend nur noch die Unterform 3 erwähnt. Identisches gilt auch für die Oberform 2. Die Achsen 20 und 21 können beliebig im Raum, vorzugsweise jedoch horizontal oder vertikal, ausgerichtet sein.
Insbesondere durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung von Teller 15 und Unterform 3 und durch die Plasmaleistung, läßt sich die Zusammensetzung der Beschichtung 4 steuern. Bei niedriger Relativgeschwindigkeit und entsprechend angepaßter Leistung baut sich eine aus einzelnen Schichten 6, 7, 8 aufgebaute Beschichtung 4 auf, welche in 2.b illustriert ist. Dagegen läßt sich bei ansteigender Relativgeschwindigkeit und angepasster, vorzugsweise konstanter, Leistung oder Beschichtungsrate, eine Durchmischung der einzelnen Komponenten in der Beschichtung erreichen, so dass sich die in 2.a illustrierte Beschichtung herstellen läßt. Dabei kommt es zu einem zumindest teilweise Überlappen oder Vermischen der einzelnen aus dem Target zerstäubten Teilchenwolken. Insbesondere lassen sich die einzelnen Targets oder die Beschichtungsrate der einzelnen Targets getrennt voneinander steuern.
4.a illustriert schematisch das Ergebnis einer SIMS-Analyse der Beschichtung aus 2.a. Dargestellt ist die erwartete Ausbeute als Funktion der Sputterzeit, welche ein Maß für die Tiefe ist, aus der die nachgewiesenen Partikel stammen. Eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Komponenten in der Beschichtung 4 resultiert in eine Ausbeute der einzelnen Komponenten, welche im wesentlichen konstant über die gesamte Tiefe oder Dicke der Beschichtung 4 verläuft. 4.b illustriert schematisch die SIMS-Analyse der Beschichtung aus 2.b. In den verschiedenen Tiefen lassen sich die einzelnen Komponenten der Beschichtung 4 und die entsprechenden Übergänge zwischen den einzelnen Schichten nachweisen. Die Tiefenauflösung der angewendeten Analyse bestimmt hierbei die Möglichkeit, einen schichtweisen Aufbau der Beschichtung 4 nachweisen zu können.
Um die Vorteile der erfindungsgemäßen Beschichtung 4 zu belegen, zeigen die 5.a, 5.b, 6.a und 6.b das Ergebnis von AFM-Untersuchungen einer herkömmlichen Beschichtung 4 (5.a und 6.a) und einer erfindungsgemäßen Beschichtung 4 (5.b und 6.b). Die 5.a und 5.b zeigen das Profil einer herkömmlichen Beschichtung 4 und einer erfindungsgemäße Beschichtung 4. Der Maßstab ist in 5a 435 nm, in 5b 415 nm. Die 6.a und 6.b zeigen die Rauigkeiten R_a, gemessenen in einem Messfeld von 10·10 μm, einzelner Proben als Funktion der Schichtdicke. Die Messungen wurden mit einem Messgerät des Typs Nanoscope der Firma Digital Instruments durchgeführt. Die Schichtdicken sind gemessen an der Bruchkante beschichteter Siliziumwaferproben unter dem Rasterelektronenmikroskop. Beide Beschichtungen sind auf einer polierten Siliziumoberfläche aufgebracht. Die Verwendung von Silizium liegt darin begründet, dass es sich leichter brechen läßt und damit die Untersuchung mittels REM entlang der Bruchkante ermöglicht. Ein vergleichbares Wachstum der Beschichtungen bei einem Substrat wie Wolframcarbid, als typische Material für Formblöcke 1, ist zu erwarten. Die herkömmliche Beschichtung wird durch die folgenden Komponenten gebildet: Ir, Cr, Pt und Rh. Die erfindungsgemäße Beschichtung wird durch die folgenden Komponenten gebildet: Ta, Ir, Pt und Rh.
Die bekannten Schichten, die mittels Sputtern aufgebracht werden, vergrößern in der Regel die Rauigkeit der beschichteten Oberfläche. Dies liegt in ihrer Struktur oder Morphologie begründet, die wiederum auf das Wachstumsverhalten zurückzuführen sind. Die herkömmlich eingesetzten Schichten weisen meistens ein säulenförmiges Wachstum auf. Dabei werden diese Säulen mit zunehmender Entfernung von der beschichteten Oberfläche breiter. Daraus resultiert ein Anstieg der Rauigkeit mit zunehmender Schichtdicke.
Bei dem erfindungsgemäßen Schichtsystem liegt dagegen ein anderes Wachstumsverhalten vor, welches nicht zu Säulen führt. Dies wird im wesentlichen auf das Tantal als Bestandteil der Beschichtung 4 zurückgeführt. Die Rauigkeit der Beschichtungen 4 nimmt zwar auch mit deren Schichtdicke zu, allerdings im wesentlich geringerem Maße als bei den herkömmlichen Schichten bzw. Beschichtungen.
Die resultierende Rauigkeit der Formoberfläche 4a der Beschichtung 4 eines Formwerkzeugs wird auch durch die Rauigkeit oder Grundrauigkeit der unbeschichteten Formoberfläche 4a bestimmt. In Abhängigkeit von dem Material, auf dem die Beschichtung 4 abgeschieden wird, lassen sich mittels Polieren unterschiedliche Grundrauigkeiten erzielen.
Beispielsweise lassen sich Oberflächen von Silizium derart polieren, dass sie eine Rauigkeit R_a von kleiner als etwa 1 nm besitzen. Dagegen lassen sich Materialien wie Wolframcarbid nur schwer polieren, so dass eine Rauigkeit R_a von kleiner 3 nm erreicht wird. Aus dem in 6.b dargestellten Verlauf ergibt sich, insbesondere für polierte Siliziumoberflächen, insbesondere für Schichtdicken in einem Bereich von bis zu etwa 2500 nm, für eine Formoberfläche 4a eine Rauigkeit R_a von etwa 0,3 bis 1 nm. Somit wird die Rauigkeit der unbeschichteten Formoberfläche 4a durch die erfindungsgemäße Beschichtung 4, insbesondere in dem Bereich der angegebenen Schichtdicke, nicht wesentlich vergrößert. Somit ergibt sich bei den aktuell zu verwendenden polierten Materialien wie Wolframcarbid, insbesondere für Schichtdicken in einem Bereich von bis zu etwa 2500 nm, für eine Formoberfläche 4a eine Rauigkeit R_a von etwa 1 bis 3 nm.
Die erfindungsgemäßen Schichten zeichnen sich durch eine geringe Oberflächenrauigkeit aus. Insbesondere ist die Zunahme der Oberflächenrauigkeit mit steigender Schichtdicke gering. Zudem ist die Oxidation der Oberflächen gering, insbesondere bei Temperaturen von über 400°C unter N₂-Atmosphäre. Ferner sind die Reaktion und das Kleben mit Gläsern gering. Auch die erzielte Härte liegt in ähnlichen Bereichen wie bei herkömmlichen Schichten, wie Cr/Pt/Rh/Ir oder auch Mo/Pt/Rh/Ir. Insbesondere durch die verminderte Rauigkeit der Formoberflächen 4a lassen sich letztendlich optische Bauteile mit verbesserter Oberflächengüte herstellen. Insbesondere lassen sich optische Bauteile herstellen mit einer Rauigkeit R_a von etwa 1 nm bis 3 nm oder sogar von kleiner als etwa 1 nm und hierbei insbesondere von etwa 0,3 nm bis etwa 1 nm..
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt, sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.

1: Formblock
2: Oberform
3: Unterform
4: Beschichtung
4a: Formoberfläche
5: zu formendes Material
6: Ta-Schicht oder Ta
7: Ir-Schicht oder Ir
8: Pt-Rh-Schicht oder Rt/Rh
9: Haftvermittlerschicht
15: Teller
16: Ta-Target
17: Ir-Target
18: Pt-Rh-Target
20: Drehachse des Tellers
21: Drehachse der Ober- oder Unterform
Z: Ausschnitt aus 1

Claims

Formwerkzeug (1, 2, 3), zum Pressen optischer Bauteile aus Glas, mit einer Formoberfläche (4a) umfassend eine Beschichtung (4) dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) als Bestandteil zumindest Ta aufweist.
Formwerkzeug nach vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) einen Anteil an Ta von 1 Gew.% bis 100 Gew.%, bevorzugt von 5 Gew.% bis 50 Gew.%, besonders bevorzugt von 30 Gew.% bis 40 Gew.% aufweist.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Formoberfläche (4a) des Formwerkzeugs (1, 2, 3) zumindest abschnittsweise durch die Beschichtung (4) gebildet ist.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) als eine Legierung vorliegt.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) als weitere Bestandteile zumindest ein Material ausgewählt aus der Gruppe von Pt, Rh, Ir, Mo, Cr, W, Nb, Pd, Re, Au und Ni umfasst.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) einen Anteil an Ir von 1 Gew.% bis 100 Gew.%, bevorzugt von 20 Gew.% bis 80 Gew.%, besonders bevorzugt von 30 Gew.% bis 50 Gew.% aufweist.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) einen Anteil an Pt und Rh von 1 Gew.% bis 100 Gew.%, bevorzugt von 10 Gew.% bis 40 Gew.%, besonders bevorzugt von 20 Gew.% bis 30 Gew.% aufweist.
Formwerkzeug nach vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Rh zu Pt annähernd Null zu 0,3, bevorzugt 0,3 beträgt.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile in der Beschichtung (4) als Mischung vorliegen.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile in der Beschichtung (4) im wesentlichen homogen verteilt sind.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) aus einzelnen Schichten (6, 7, 8) aufgebaut ist und die Bestandteile im wesentlichen in den einzelnen Schichten (6, 7, 8) vorliegen.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) mittels eines PVD-Verfahrens, vorzugsweise mittels Sputtern, aufgebracht ist.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Bestandteile der Beschichtung (4) als Legierung aufgebracht ist.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Beschichtung (4) durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung von Target (16, 17, 18) und Formwerkzeug (1, 2, 3) zueinander einstellbar ist.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (4) von 50 nm bis 10000 nm, bevorzugt von 50 nm bis 5000 nm, besonders bevorzugt von 50 nm bis 1500 nm beträgt.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der einzelnen Schichten (6, 7, 8) von 1 nm bis 200 nm, bevorzugt von 5 nm bis 70 nm, besonders bevorzugt von 5 nm bis 15 nm beträgt.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der abschließenden Schicht (6) von 5 nm bis 1000 nm, bevorzugt von 15 nm bis 100 nm, besonders bevorzugt von 15 nm bis 45 nm beträgt.
Formwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Formoberfläche (4a), insbesondere bei einer Gesamtdicke von kleiner als 5000 nm, bevorzugt von kleiner als 2500 nm, eine Rauigkeit R_a von kleiner als 10 nm, bevorzugt von kleiner als 5 nm, besonders bevorzugt von kleiner als 3 nm aufweist.
Verfahren zum Beschichten eines Formwerkzeuges (1, 2, 3) zum Pressen optischer Bauteile aus Glas umfassend – Bereitstellen zumindest eines Targets (16, 17, 18), welches als Material Ta umfasst, – Bereitstellen zumindest eines Formwerkzeugs (1, 2, 3), – Aufbringen wenigstens einer Beschichtung (4) auf zumindest einem Abschnitt einer Formoberfläche (4a) des Formwerkzeugs (1, 2, 3) mittels PVD, vorzugsweise mittels Sputtern.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Targets (16, 17, 18) und das Formwerkzeugs (1, 2, 3) relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Beschichtung (4) mittels der Relativgeschwindigkeit von Target (16, 17, 18) und Formwerkzeug (1, 2, 3) zueinander gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass, das Formwerkzeug (1, 2, 3) und das Target (16, 17, 18) gegenläufig gedreht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Beschichtung (4) mittels der Leistung der PVD gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) mit einer Rate von 1 bis 100 nm/min aufgebracht, bevorzugt von 10 bis 50 nm/min aufgebracht, besonders bevorzugt von 30 bis 40 nm/min aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass, das Target (16, 17, 18) als eine Legierung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass, bei einer Vielzahl von Targets (16, 17, 18), das Aufbringen der einzelnen Targets (16, 17, 18) separat steuerbar bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass, die einzelnen Targets (16, 17, 18) als Bestandteile zumindest ein Material ausgewählt aus der Gruppe von Ta, Pt, Rh, Ir, W, Nb, Pd, Re, Au, Ni, Mo und Cr umfassend bereitgestellt werden.
Optisches Bauteil aus Glas herstellbar, insbesondere hergestellt, mittels eines Formwerkzeugs (1, 2, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Optisches Bauteil nach vorstehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt seiner Oberfläche, vorzugsweise seiner optisch aktiven Oberfläche, eine Rauigkeit R_a von kleiner als 10 nm, bevorzugt von kleiner als 3 nm, besonders bevorzugt von kleiner als 2nm aufweist.