DE102007023803B4 - Process for the production of layer systems with intermediate layers and article with layer system with intermediate layers - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Schichtsystemen, bei welchem auf einem Gegenstand ein Schichtsystem mit zumindest zwei Schichten aufgebracht wird und zumindest eine Zwischenschicht zwischen die Schichten eingebracht wird und bei welchem zum Aufbringen der Zwischenschicht ein organischer Precursor und ein anorganischer Precursor gleichzeitig oder nacheinander in die Beschichtungs- oder Reaktionskammer eingebracht werden und der organische Precursor und der anorganische Precursor im Wesentlichen gleichzeitig zur Reaktion und/oder Abscheidung gebracht werden und die Zwischenschicht in einer Dicke von 3 nm bis 10 nm abgeschieden wird.A process for the production of layer systems in which a layer system with at least two layers is applied to an object and at least one intermediate layer is introduced between the layers and wherein for the application of the intermediate layer an organic precursor and an inorganic precursor simultaneously or successively in the coating or Reaction chamber are introduced and the organic precursor and the inorganic precursor are brought substantially simultaneously to the reaction and / or deposition and the intermediate layer is deposited in a thickness of 3 nm to 10 nm.
Description
Die Erfindung betrifft allgemein Verfahren zur Herstellung von Schichtsystemen mit Zwischenschichten sowie einen vorzugsweise verfahrensgemäß hergestellten Gegenstand mit zumindest einem Schichtsystem, welches eine oder mehrere Zwischenschichten enthält.The This invention relates generally to methods for making layer systems with intermediate layers and a preferably prepared according to the method Object with at least one layer system, which one or contains several intermediate layers.
Zwischenschichten in herkömmlichen Schichtsystemen wurden bereits verwendet, um die Morphologie des Schichtsystems zu beeinflussen.interlayers in conventional Layer systems have already been used to study the morphology of the To influence shift system.
In
der
Die
Die vorstehend beschriebenen Zwischenschichten werden jedoch in bekannte Schichtsysteme so eingebracht, dass diese jeweils eine Schicht dieses Schichtsystems unterbrechen, dies bedeutet zwischen zwei zumindest vom Material her identischen Schichten angeordnet werden.The However, the interlayers described above are known in the art Layer systems introduced so that each one layer of this Interrupt layer system, this means between two at least be arranged from the material identical layers.
Die
Häufig werden
optische Wechselschichtsysteme mit abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden
Schichten verwendet, um Beschichtungen für Kaltlicht-Reflektoren herzustellen.
Diese Schichtsysteme werden teilweise mit PICVD-Verfahren aufgebracht.The
Frequently, alternating optical layer systems with alternating high and low refractive index layers are used to produce coatings for cold light reflectors. These coating systems are partially applied by PICVD methods.
Von keiner der genannten Zwischenschichten war jedoch ein Einfluß auf die elektrische Leitfähigkeit von Schichtsystemen bekannt. Ferner wurden diese Schichtsysteme erstellt indem jeweils abwechselnd ein organischer Precursor und ein anorganischer Precursor zur Beschichtung verwendet wurde. Die gleichzeitige Verwendung eines organischen Precursors und eines anorganischer Precursors wurde bisher bei diesen Beschichtungen jedoch strikt vermieden, um chemische Reaktionen zu vermeiden, welche zum Teil zu unerwünschter Verschmutzung von Leitungssystemen und Reaktionskammern führen können.From none of the intermediate layers was an influence on the electrical conductivity of Layer systems known. Furthermore, these layer systems were created by alternately an organic precursor and an inorganic Precursor was used for coating. The simultaneous use an organic precursor and an inorganic precursor has hitherto been strictly avoided in these coatings, to avoid chemical reactions, some of which are undesirable Contamination of piping systems and reaction chambers.
In wichtigen Anwendungsfällen derartiger Schichtsysteme kann die elektrische Leitfähigkeit eine bedeutende Rolle spielen.In important applications such layer systems, the electrical conductivity play a significant role.
In Reflektoren für die digitale Projektion werden üblicherweise lichtstarke Gasentladungslampen eingebaut. Gezündet werden diese Lampen mit einer Spannung von mehreren 1000 V. Die stromzuführenden Leitungen werden teilweise durch Bohrungen im Reflektor geführt und haben, soweit diese Leitungen im Bereich des Reflektors, wie üblich nicht isoliert ausgeführt sind, häufig Kontakt mit dem Schichtsystem, wobei leitfähige Schichtsysteme dann zu Problemen führen. Die Zündspannung kann durch ein leitfähiges Schichtsystem kurzgeschlossen werden, was ein Zünden der Lampe verhindert. Der Flansch einiger Reflektoren hat im eingebauten Zustand Kontakt mit Metallteilen. Die Zündspannung kann über diese Teile abgeleitet werden und andere Komponenten beschädigen oder Gehäuseteile unter Spannung setzen.Reflectors for digital projection usually incorporate high intensity gas discharge lamps. These lamps are ignited with a voltage of several 1000 V. The power lines are partially guided through holes in the reflector and have, as far as these lines in the region of the reflector, as usual not carried out in isolation, contact with the layer system, conductive layer systems then cause problems. The ignition voltage can be short-circuited by a conductive layer system, which prevents ignition of the lamp. The flange of several reflectors has built in th state contact with metal parts. The ignition voltage can be dissipated through these parts and damage other components or put housing parts under voltage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Schichtsystem mit verminderter elektrischer Leitfähigkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung von Schichtsystemen mit verminderter elektrischer Leitfähigkeit bereitzustellen.Of the Invention is based on the object, a layer system with reduced electrical conductivity and a method for producing layer systems with reduced electrical conductivity provide.
Besonders vorteilhaft wäre es dabei, wenn bereits bestehende Schichtsysteme im wesentlichen ohne Veränderung des Schichtdesings weiter beibehalten werden können. Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.Especially would be advantageous it, if already existing layer systems essentially without change of the Schichtdesings can be maintained. These tasks will be with a method having the features of claim 1 and a An article with the features of claim 12 solved.
Herkömmliche Schichtsystem haben, beispielsweise bei interferenzoptischen Wechselschichtsystemen, Dicken der aufgebrachten Schichten von ca. 10 nm bis 200 nm. Überraschenderweise haben die Erfinder festgestellt, dass das Einbringen von dünnen Zwischenschichten in eine oder mehrere dieser interferenzoptischen Wechselschichten eine gravierende Verminderung der Leitfähigkeit dieses Schichtsystems zur Folge hatte.conventional Layer system have, for example, in interference-optical alternating-layer systems, Thicknesses of the applied layers of about 10 nm to 200 nm. Surprisingly The inventors have found that the incorporation of thin intermediate layers in one or more of these interference optical alternating layers a serious reduction in the conductivity of this layer system had the consequence.
Als dünne Zwischenschicht wurde dabei eine Schicht mit Dicken von etwa 3 nm bis 10 nm und bevorzugt von 4 nm bis 6 nm eingebracht.When thin intermediate layer was thereby a layer with thicknesses of about 3 nm to 10 nm and preferably introduced from 4 nm to 6 nm.
Überraschenderweise haben die Erfinder ferner festgestellt, dass diese Zwischenschichten nur dann die Leitfähigkeit reduzierten, wenn ein organischer Precursor und ein anorganischer Precursor gleichzeitig in die Beschichtungs- oder Reaktionskammer eingebracht wurden und gleichzeitig zur Reaktion und/oder Abscheidung gebracht wurden.Surprisingly the inventors have further found that these intermediate layers only then the conductivity reduced when an organic precursor and an inorganic Precursor simultaneously in the coating or reaction chamber and simultaneously for reaction and / or separation were brought.
Ferner war es auch überraschend, dass diese Zwischenschichten die elektrische Leitfähigkeit dann besonders stark reduzierten, wenn diese zwischen zwei Schichten mit verschiedener stofflicher Zusammensetzung eingebracht wurden.Further it was also surprising that these intermediate layers the electrical conductivity then particularly greatly reduced, if this between two layers were introduced with different material composition.
Wechselschichtsysteme mit derartigen Zwischenschichten besitzen je nach Herstellparameter eine verminderte bis stark verminderte elektrische Leitfähigkeit. Mit 5000 V Messspannung werden bei erfindungsgemäßen Schichtsystemen elektrische Widerstände im hohen GΩ-Bereich oder TΩ-Bereich gemessen. Wohingegen das gleiche Schichtsystem ohne Zwischenschichten bei einer Messspannung von 5000 V einen geringeren Widerstand bis hinab in den kΩ-Bereich besitzen kann.Alternating shift systems with such intermediate layers have depending on manufacturing parameters a reduced to greatly reduced electrical conductivity. With 5000 V measurement voltage in layer systems according to the invention electrical resistors in the high GΩ range or TΩ range measured. Whereas, the same layer system without intermediate layers at a measuring voltage of 5000 V a lower resistance down to in the kΩ range can own.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Figuren detaillierter beschrieben.The Invention will be described below with reference to preferred embodiments and with reference to the accompanying figures in more detail described.
Es zeigen:It demonstrate:
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description more preferred embodiments
Bei den nachfolgend detaillierter beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wurden interferenzoptische Wechselschichtsysteme auf Glas- und Glaskeramikreflektoren aufgebracht, welche herkömmliche Schichtdesigns aufwiesen, in welche zur Reduktion der Leitfähigkeit Zwischenschichten eingebracht wurden.at the preferred embodiments described in more detail below were interference-optical alternating-layer systems on glass and glass ceramic reflectors applied, which conventional layer designs had, in which introduced to reduce the conductivity intermediate layers were.
Diese Zwischenschichten werden auch als Misch-Zwischenschichten bezeichnet, soweit dabei zu deren Herstellung sowohl organische als auch anorganische Precursoren zur gleichen Zeit oder insbesondere als Mischung verwendet werden.These Intermediate layers are also referred to as mixed intermediate layers, as far as thereby for their production both organic and inorganic Precursors used at the same time or in particular as a mixture become.
Das herkömmliche Schichtsystem umfasst mehrere Lagen von SiOxCy- und TiOxCly-Schichten. Die Schichtsysteme bestehen aus TiOxCly- und SiOxCy-Schichten bestimmter Dicke und bilden ein Interferenz-Schichtsystem mit definiertem Spektrum.The conventional layer system comprises multiple layers of SiO x C y and TiO x Cl y layers. The layer systems consist of TiO x Cl y and SiO x C y layers of specific thickness and form an interference layer system with a defined spectrum.
Die TiOxCly-Schichten werden aus einer Mischung von TiCl4 und O2 hergestellt und enthalten in der Regel noch Chlor-Reste.The TiO x Cl y layers are made from a blend of TiCl 4 and O 2, and usually contain chlorine nor residues.
Die SiOxCy-Schichten werden aus HMDSO-Sauerstoff-Gemisch ((CH3)3-Si-O-Si-(CH3)3) hergestellt und enthalten Kohlenstoff- und Wasserstoff-Reste.The SiO x C y layers are prepared from HMDSO-oxygen mixture ((CH 3 ) 3 -Si-O-Si (CH 3 ) 3 ) and contain carbon and hydrogen radicals.
Die SiOxCy-Schichten besitzen alleine in der Regel fast keine Leitfähigkeit.The SiO x C y layers alone usually have almost no conductivity.
Die TiOxCly-Schichten besitzen als Einzelschicht nur eine geringe Leitfähigkeit.The TiO x Cl y layers have as a single layer only a low conductivity.
Erst die Verbindung von SiOxCy- und TiOxCly-Schichten im Schichtsystem führte zu der beobachteten hohen Leitfähigkeit der Schichtsysteme. Über welchen Mechanismus diese Leitfähigkeit hervorgerufen wird, ist momentan noch nicht bekannt.It is the combination of SiO x C y - and TiO x Cl y layers in the layer system led to the observed high conductivity of the layer systems. The mechanism by which this conductivity is induced is currently unknown.
In überraschender Weise haben die Erfinder herausgefunden, dass dünne Misch-Schichten die zwischen die SiOxCy- und TiOxCly-Schichten eingefügt werden, die Leitfähigkeit der Wechselschichtsysteme signifikant verringern können.Surprisingly, the inventors have found that thin mixed layers interposed between the SiO x C y and TiO x Cl y layers can significantly reduce the conductivity of the alternating layer systems.
Diese werden bevorzugt hergestellt, indem HMDSO, TiCl4 und O2 gleichzeitig in den Reaktor geleitet werden.These are preferably prepared by simultaneously passing HMDSO, TiCl 4 and O 2 into the reactor.
Die Beschichtungszeit für diese Misch-Zwischenschichten beträgt zwischen einer zehntel und mehreren Sekunden, beispielsweise zehn Sekunden, vorzugsweise etwa eine Sekunde.The Coating time for these mixed intermediate layers is between one tenth and several seconds, for example ten seconds, preferably about one second.
Die Leitfähigkeitsreduktion durch diese Maßnahme funktioniert sowohl bei Glas-Reflektoren als auch bei Glaskeramik-Reflektoren.The conductivity reduction by this measure works with both glass reflectors and glass-ceramic reflectors.
Misch-Zwischenschichten die nur aus anorganischen Precursoren, beispielsweise aus SiCl4 und TiCl4 und O2 hergestellt werden zeigen keine Leitfähigkeitsreduktion.Mixed intermediate layers which are produced only from inorganic precursors, for example from SiCl 4 and TiCl 4 and O 2 , show no reduction in conductivity.
Überraschenderweise führt die Kombination eines organischen mit einem anorganischen Precursor aber zu einer erheblichen Leitfähigkeitsreduktion.Surprisingly leads the Combination of an organic and an inorganic precursor, however to a significant reduction in conductivity.
Misch-Zwischenschichten, die zwischen die SiOxCy- und TiOxCly-Schichten eines oxidischen Schichtsystems eingefügt werden, verringern die elektrische Leitfähigkeit dieses Schichtsystems.Mixed intermediate layers, which are interposed between the SiO x C y and TiO x Cl y layers of an oxide layer system, reduce the electrical conductivity of this layer system.
Diese Zwischenschichten werden vorteilhaft beispielsweise mit einem Gasgemisch aus TiCl4, HMDSO und O2 hergestellt.These intermediate layers are advantageously produced for example with a gas mixture of TiCl 4 , HMDSO and O 2 .
Offenbar ist es notwendig einen organischen mit einem anorganischen Precursor zu mischen, um eine leitfähigkeitsreduzierende Wirkung zu erzielen.apparently it is necessary an organic with an inorganic precursor to mix to a conductivity reducing Effect.
Daher kann die Leitfähigkeitsreduktion nicht allein durch das Erzeugen einer SiO2-TiO2-Mischschicht erfolgen. Es muss zu einer Wechselwirkung von weiteren Precursor-Bestandteilen kommen. Im HMDSO-Molekül sind neben Silizium und Sauerstoff noch organische Bestandteile, nämlich Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, welche für die Leitfähigkeitsverminderung wesentlich zu sein scheinen.Therefore, the conductivity reduction can not be done solely by forming a SiO 2 -TiO 2 mixed layer. There must be an interaction of other precursor constituents. In addition to silicon and oxygen, the HMDSO molecule also contains organic components, namely carbon and hydrogen, which appear to be essential for reducing the conductivity.
Ausführungsbeispiel 1: Wirkung der Mischschichten auf der Laboranlage.embodiment 1: Effect of the mixed layers on the laboratory system.
Ein ellipsoider Glaskeramik-Reflektor mit einer Höhe von ca. 5 cm und einem maximalen Durchmesser von etwa 5 cm wurde für die nachfolgend dargestellten Versuche verwendet.One ellipsoidal glass-ceramic reflector with a height of about 5 cm and a maximum Diameter of about 5 cm was for the following Trials used.
Die Beschichtung der Test-Reflektoren erfolgte mit einem Kaltlicht-Spiegel, der aus 15 Schichten TiOxCly, und 16 Schichten SiOxCy besteht. Für die Abscheidung dieser Schichten wurde ein Plasma-CVD-Verfahren verwendet, bei dem das Plasma durch ein gepulstes Mikrowellenfeld generiert wird (PICVD-Verfahren). Die Pulsleistung für die SiOxCy-Schichten betrug 3000 W und für die TiOxCly-Schichten 2800 W.The coating of the test reflectors was done with a cold light mirror consisting of 15 layers TiO x Cl y , and 16 layers SiO x C y . For the deposition of these layers, a plasma CVD method was used in which the plasma is generated by a pulsed microwave field (PICVD method). The pulse power for the SiO x C y layers was 3000 W and for the TiO x Cl y layers 2800 W.
Es wurde für beide Schichten ein Tastverhältnis von 0,02 verwendet, wobei das Tastverhältnis das zeitliche Verhältnis zwischen vorhandener Mikrowelleneinstrahlung und ausgeschalteter Mikrowelleneinstrahlung beschreibt.It was for both layers have a duty cycle of 0.02, where the duty cycle is the temporal relationship between existing microwave radiation and switched off microwave irradiation describes.
Der Druck in der Beschichtungskammer betrug hierbei etwa 0,5 mbar.Of the Pressure in the coating chamber was about 0.5 mbar.
Der Zufluss der Beschichtungsgase und die Absaugung der Abgase erfolgte kontinuierlich.Of the Inflow of the coating gases and the exhaust of the exhaust gases took place continuously.
Die SiOxCy-Schichten wurden mit einem Gasgemisch aus ca. 97 Vol.-% O2 und 3 Vol.-% Hexamethylendisiloxan (HMDSO) hergestellt.The SiO x C y layers were produced using a gas mixture of about 97% by volume O 2 and 3% by volume hexamethylene disiloxane (HMDSO).
Die TiOxCly-Schichten wurden mit einem Gemisch aus ca. 0,5 Vol.-% bzw. 2 Vol.-% TiCl4 in O2 hergestellt.The TiO x Cl y layers were prepared with a mixture of about 0.5 vol.% And 2 vol.% TiCl 4 in O 2 , respectively.
Das Gas für die Abscheidung der Misch-Zwischenschichten bestand aus 3 Vol.-% HMDSO, 0,5 Vol.-% bzw. 2 Vol.-% TiCl4 und 96,5 Vol.-% bzw. 95 Vol.-% O2.The gas for the deposition of the mixed intermediate layers consisted of 3 vol.% HMDSO, 0.5 vol.% And 2 vol.% TiCl 4 and 96.5 vol.% And 95 vol.% O, respectively 2 .
Der Druck betrug 0,5 mbar, die Pulsleistung 3000 W, das Tastverhältnis 0,02. In diesem Beispiel wurde die Beschichtungsdauer für die Misch-Zwischenschichten variiert. Zunächst wurden einige Reflektoren ohne Misch-Zwischenschichten hergestellt und vermessen.Of the Pressure was 0.5 mbar, the pulse power 3000 W, the duty cycle 0.02. In this example, the coating time for the mixed intermediate layers varied. First Some reflectors without mixed intermediate layers were produced and measured.
Diese zeigten nach einer Temperung bei 450°C für 20 min eine erhöhte Leitfähigkeit (bzw. geringen Widerstand).These showed after annealing at 450 ° C for 20 min increased conductivity (or low resistance).
Die Widerstandsmessung erfolgte an verschiedenen Stellen auf der Reflektoroberfläche mit etwa 1000 V und einem Elektrodenabstand der Messelektroden von etwa 5 mm.The Resistance measurement was carried out at various points on the reflector surface about 1000 V and an electrode spacing of the measuring electrodes of about 5 mm.
Es konnten dabei Widerstände bis hinab in den einstelligen MΩ-Bereich gemessen werden.It could resist this down to the single-digit MΩ range be measured.
Mit zunehmender Beschichtungszeit für die Misch-Zwischenschichten stieg der Schichtwiderstand. Bei einer Sekunde Beschichtungszeit wurde nach dem Tempern an allen Messstellen auf der Reflektoroberfläche ein Widerstand von > 2 GΩ gemessen, was dem Messbereichsendwert des verwendeten Messgerätes entspricht.With increasing coating time for the mixed intermediate layers the sheet resistance increased. At one second coating time became after annealing at all measuring points on the reflector surface Resistance of> 2 GΩ measured, which corresponds to the measuring range end value of the measuring device used.
Ausführungsbeispiel 2: Wirkung der Mischschichten in der Produktionembodiment 2: Effect of mixed layers in production
Das auf einer Laboranlage gezeigte Konzept der Misch-Zwischenschichten wurde auf eine Produktionsanlage übertragen und getestet.The Concept of mixed intermediate layers shown on a laboratory plant was transferred to a production plant and tested.
Als
Testobjekt diente ein ellipsoider Glasreflektor mit einer Höhe von ca.
6 cm und einem maximalen Durchmesser von ca. 5,5 cm. Auf diesen
Reflektor wurde das gleiche Schichtsystem aufgebracht wie im Ausführungsbeispiel
1, nur mit anderen Beschichtungsparametern: SiOxCy-Schichten:
Mit diesen Parametern wurden auf der selben Anlage Schichtsysteme ohne und mit Misch-Zwischenschichten hergestellt.With these parameters layer systems without and with mixed intermediate were used on the same system layers produced.
Nach dem Tempern der Proben erfolgte das Vermessen der elektrischen Leitfähigkeit. Bei jedem Reflektor wurde der elektrische Widerstand zwischen verschiedenen genau definierten Punkten vermessen. Die Messspannung betrug 5000 V. Der Messbereichsendwert des Messgerätes ist 1 TΩ.To the annealing of the samples was carried out measuring the electrical conductivity. For each reflector, the electrical resistance between different measure precisely defined points. The measuring voltage was 5000 V. The full scale value of the meter is 1 TΩ.
In
Diese Ergebnisse von Leitfähigkeitsmessungen, welche jeweils den Einfluss der Misch-Zwischenschichten auf den elektrischen Widerstand von oxidischen Schichtsystemen wiedergeben, zeigen jeweils das gleiche Schichtsystem, was an verschiedenen Stellen auf der Oberfläche vermessen wurde. Die linken höheren Balken zeigen den elektrischen Widerstand eines Schichtsystems ohne Zwischenschichten und die rechten Balken im Wesentlichen das gleiche Schichtsystem, jedoch ohne eingebrachte Zwischenschichten. Man sieht, dass die elektrische Leitfähigkeit des Schichtsystems durch die Zwischenschichten an einigen Messpositionen deutlich reduziert werden konnte.These Results of conductivity measurements, which in each case the influence of the mixed intermediate layers on the reflect electrical resistance of oxide layer systems, each show the same layer system, which at different points on the surface was measured. The left higher Bars show the electrical resistance of a coating system without Interlayers and the right bars are essentially the same Layer system, but without introduced intermediate layers. One sees, that the electrical conductivity of the layer system through the intermediate layers at some measuring positions could be reduced significantly.
Die Schichtsysteme mit Misch-Zwischenschichten besitzen an vielen Messpositionen einen um ca. 6 Größenordnungen höheren elektrischen Widerstand.The Layer systems with mixed intermediate layers have many measuring positions one by about 6 orders of magnitude higher electrical resistance.
Dies zeigt anschaulich, dass die erfindungsgemäße Leitfähigkeitsreduktion in industriellen Produktionsanlagen anwendbar ist.This clearly shows that the inventive conductivity reduction in industrial Production equipment is applicable.
Die
Erfindung wird auch auf die in den in
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