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Die Erfindung betrifft eine Plasmaionenquelle für eine Vakuumbeschichtungsanlage.
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In der Druckschrift
DE 40 20 158 A1 wird eine Vorrichtung zum Beschichten von Substraten in einer Vakuumkammer offenbart. Die Vorrichtung dient zum Aufbringen von dünnen dielektrischen oder metallischen Schichten auf Substrate. Die Vorrichtung umfasst eine Plasmaionenquelle, die dazu dient, die Schichteigenschaften der aufwachsenden dünnen Schichten durch Ionenbeschuss zu modifizieren.
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Eine weitere Plasmaionenquelle, die zur Unterstützung von Vakuumbeschichtungsverfahren geeignet ist, ist aus der Druckschrift
US 7 411 352 B2 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Plasmaionenquelle für eine Vakuumbeschichtungsanlage anzugeben, durch die insbesondere die Homogenität und Reproduzierbarkeit der Schichtdicken und/oder Brechungsindizes der aufgebrachten Schichten weiter verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Plasmaionenquelle für eine Vakuumbeschichtungsanlage gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Plasmaionenquelle für eine Vakuumbeschichtungsanlage umfasst gemäß einer Ausgestaltung eine Kathode und eine die Kathode umgebende Anode, die vorzugsweise rohrförmig ausgebildet ist. Die Kathode ist bevorzugt im Zentrum der rohrförmigen Anode angeordnet. Die Kathode kann beispielsweise zylinderförmige Seitenwände und eine kreisförmige Deckplatte aufweisen. Die zylinderförmige Kathode ist vorzugsweise derart im Zentrum der rohrförmigen Anode angeordnet, dass die Kathode und die Anode die gleiche Hauptachse aufweisen.
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Die Plasmaionenquelle enthält vorteilhaft weiterhin einen Magneten zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes, das parallel zur vertikalen Achse der Plasmaionenquelle verläuft. Die Kathode weist vorteilhaft ein Metall oder eine Metallverbindung auf, welches im heißen Zustand die Emission von Elektronen ermöglicht. Durch eine Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode werden Elektronen, die aus der Kathode austreten, in Richtung der Anode beschleunigt. Durch das Magnetfeld des Magneten werden die Elektronen auf Spiralbahnen gezwungen, auf denen sie insbesondere Atome eines Prozessgases wie beispielsweise Argon oder Sauerstoff ionisieren, so dass ein Plasma aus Elektronen und Ionen des Prozessgases entsteht.
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Die Plasmaionenquelle ist beispielsweise in eine Vakuumbeschichtungsanlage eingebaut, die zum Aufbringen von Einzelschichten oder Mehrfachschichten eingesetzt wird. Insbesondere kann die Vakuumbeschichtungsanlage zur Herstellung optischer Schichten wie beispielsweise Antireflexionsschichten auf Substraten wie beispielsweise Glas oder Kunststoff eingerichtet sein.
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Die Ionen des Prozessgases werden vorteilhaft durch eine Potentialdifferenz zwischen der Plasmaionenquelle und einem Substrathalter, auf dem die zu beschichtenden Substrate angeordnet sind, in Richtung der Substrate beschleunigt. Die Potentialdifferenz zwischen der Plasmaionenquelle und dem Substrathalter wird auch als BIAS-Spannung bezeichnet. Durch die BIAS-Spannung wird insbesondere die Energie der auf die zu beschichtenden Substrate auftreffenden Ionen bestimmt.
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Weiterhin umfasst die Plasmaionenquelle ein elektrisch isolierendes Element aus einem Keramikmaterial. Das elektrisch isolierende Element ist der Kathode benachbart und kann insbesondere unter der Kathode angeordnet sein. Das elektrisch isolierende Element kann insbesondere als Träger für die Kathode fungieren, um beispielsweise die Kathode in einer gewünschten Position in vertikaler Richtung in der Plasmaionenquelle anzuordnen.
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Die Kathode weist vorzugsweise eine Heizvorrichtung auf, die insbesondere unterhalb des kreisförmigen Deckels der zylinderförmigen Kathode angeordnet sein kann. Die elektrischen Anschlussleitungen der Heizvorrichtung und/oder eine Anschlussleitung der Kathode sind beispielsweise durch das elektrisch isolierende Element hindurchgeführt. Durch das elektrisch isolierende Element werden die elektrischen Anschlussleitungen also vorteilhaft voneinander isoliert und insbesondere vor Einwirkungen des in der Plasmaionenquelle erzeugten Plasmas geschützt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest ein Bereich der Oberfläche des elektrisch isolierenden Elements mit einem Metall versehen. Auf diese Weise werden die Bereiche des elektrisch isolierenden Elements, die mit dem Metall versehen sind, vorteilhaft vor den Einwirkungen des Plasmas, insbesondere vor in Richtung der Kathode und deren Anschlussleitungen beschleunigten positiven Ionen, geschützt. Derartige positive Ionen, die durch die von der Kathode emittierten Elektronen erzeugt werden, können in der Plasmaionenquelle aufgrund des negativen Potentials der Kathode zur Kathode hin beschleunigt werden und nicht nur die Kathode selbst, sondern auch das der Kathode benachbarte elektrisch isolierende Element treffen. Ohne das hierin beschriebene Aufbringen eines Metalls auf die Oberfläche des elektrisch isolierenden Elements könnte dies dazu führen, dass das elektrisch isolierende Keramikmaterial durch die auftreffenden Ionen aus dem elektrisch isolierenden Element herausgeschlagen wird und auf Bereichen der Anode abgeschieden wird. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Abscheidung von elektrisch isolierendem Material auf der Anode zu einer Beeinträchtigung der Schichtqualität der mit Unterstützung der Plasmaionenquelle in einer Vakuumbeschichtungsanlage hergestellten Schichten führen kann.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass dieser Effekt durch das Aufbringen einer Metallschicht auf zumindest Teilbereiche des elektrisch isolierenden Elements vermindert werden kann. Auf diese Weise werden die Qualität und die Homogenität der mit Unterstützung der Plasmaionenquelle hergestellten dünnen Schichten verbessert. Insbesondere kann auf diese Weise ein häufiges Auswechseln des Anodenrohrs vermieden werden.
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Auf der Anode abgeschiedenes elektrisch isolierendes Material des elektrisch isolierenden Elements kann insbesondere die Leitfähigkeit der Anode beeinträchtigen und auf diese Weise den Entladestrom von der Kathode zur Anode und/oder die Temperaturverhältnisse in der Plasmaionenquelle verändern. Diesen möglichen negativen Effekten einer Abscheidung von elektrisch isolierendem Material auf der Anode wird durch das Aufbringen eines Metalls auf der Oberfläche des elektrisch isolierenden Elements wirksam entgegengewirkt. Die Wirkung dieser Modifikation zeigt sich insbesondere in einer verbesserten Homogenität der Brechzahl der mittels Plasmaionengestützter Beschichtung (PIAD – Plasma Ion Assisted Deposition) hergestellten Schichten, zum Beispiel SiO2-Schichten.
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Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass sich die Größe der metallisierten Fläche in Kathodennähe auf den Entladestrom und die Entladeleistung der Plasmaionenquelle auswirken. Die Vergrößerung der metallisierten Fläche in Kathodennähe bewirkt vorteilhaft, dass beim Betrieb der Plasmaionenquelle geringere Ströme und Leistungen erforderlich sind. Auf diese Weise wird insbesondere ein Verschleiß der Kathode vermindert. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass sich der der Leistungsbedarf für die Entladung reduziert, beispielsweise um ein Drittel oder mehr.
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Das Metall, mit dem zumindest ein Bereich der Oberfläche des elektrisch isolierenden Elements versehen ist, zeichnet sich vorteilhaft durch einen hohen Schmelzpunkt und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber auftreffenden Ionen aus. Besonders bevorzugt ist das Metall Titan, Zirkon oder Hafnium. Das Metall ist insbesondere von dem Material der Kathode, die beispielsweise Lanthanhexaborid aufweisen kann, verschieden.
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Das Metall zeichnet sich vorteilhaft durch eine hohe Temperaturstabilität aus. Bevorzugt weist das Metall einen Schmelzpunkt oberhalb von 1500°C auf. Dies ist insbesondere für die Metalle Titan, Hafnium und Zirkon der Fall.
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Bei einer Ausgestaltung ist das Metall als Beschichtung auf das elektrisch isolierende Element aufgebracht. Das Beschichten des elektrisch isolierenden Elements mit dem Metall kann beispielsweise durch Sputtern oder ein anderes Vakuumbeschichtungsverfahren erfolgen.
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Bei einer anderen Ausgestaltung ist das Metall ein separat gefertigtes Element, das auf dem elektrisch isolierende Element angeordnet ist. Insbesondere kann das separat gefertigte Element aus dem Metall formschlüssig mit dem elektrisch isolierenden Element verbunden sein. Das separat gefertigte Element aus dem Metall kann beispielsweise als Haube auf das elektrisch isolierende Element aufgesetzt sein.
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Bei einer Ausgestaltung ist das Keramikmaterial des elektrisch isolierenden Elements Bornitrid. Alternativ sind aber auch andere elektrisch isolierende Materialien, die sich insbesondere durch eine hohe Temperaturbeständigkeit auszeichnen, möglich.
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Bei einer Ausgestaltung fungiert das elektrisch isolierende Element als Träger für die Kathode. In diesem Fall sind also sowohl die Kathode als auch das elektrisch isolierende Element zentral in der Plasmaionenquelle angeordnet, wobei das elektrisch isolierende Element in der Hauptstrahlrichtung der Plasmaionenquelle gesehen unterhalb der Kathode angeordnet ist. Insbesondere kann das elektrisch isolierende Element unmittelbar an die Kathode angrenzen.
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Bei einer Ausgestaltung weist das elektrisch isolierende Element einen ersten Bereich und einen über dem ersten Bereich angeordneten zweiten Bereich auf, wobei der zweite Bereich vorzugsweise an die Kathode angrenzt. Das Metall ist bei dieser Ausgestaltung vorteilhaft auf dem zweiten Bereich angeordnet, da der an die Kathode angrenzende zweite Bereich besonders stark der Einwirkung von in Richtung der Kathode beschleunigten Ionen ausgesetzt ist.
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Vorteilhaft verjüngt sich ein Querschnitt des zweiten Bereichs in Richtung zur Kathode hin. Der erste Bereich wird bei dieser Ausgestaltung vorteilhaft durch den zweiten Bereich zumindest teilweise vor den Ionen abgeschirmt. Der zweite Bereich kann insbesondere die Form eines Kegelstumpfs aufweisen. In diesem Fall ist der erste Bereich beispielsweise zylinderförmig. Wenn der zweite Bereich die Form eines Kegelstumpfs aufweist, kann das Metall beispielsweise als separat gefertigtes Element in Form eines Hohlkegelstumpfs auf den zweiten Bereich des elektrisch isolierenden Elements aufgesetzt sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der 1 näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Plasmaionenquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die in 1 schematisch im Querschnitt dargestellte Plasmaionenquelle 1 ist zur Erzeugung von hochenergetischen Ionen vorgesehen, die insbesondere zur Modifizierung der Schichteigenschaften von dünnen Schichten dienen, die in einer Vakuumbeschichtungsanlage aufgewachsen werden. Die Plasmaionenquelle 1 ist vorzugsweise Bestandteil einer Vakuumbeschichtungsanlage. Die Plasmaionenquelle 1 kann beispielsweise fest in eine Vakuumbeschichtungsanlage eingebaut sein, in dem zum Beispiel eine Wand 7 der Plasmaionenquelle 1 mit einer Wand 8 der Vakuumbeschichtungslage verbunden ist.
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Details zur grundsätzlichen Funktionsweise einer derartigen Plasmaionenquelle für eine Vakuumbeschichtungsanlage können beispielsweise der in der Beschreibungseinleitung zitierten Druckschrift
DE 40 20 158 A1 entnommen werden, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
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Zur Erzeugung eines Plasmas weist die Plasmaionenquelle 1 eine Kathode 2 und eine Anode 3 auf. Die Kathode 2 und die Anode 3 sind an eine Spannungsquelle 11 angeschlossen, durch welche eine positive Spannung an die Anode und eine negative Spannung an die Kathode angelegt wird. Die Spannung zwischen der Anode 3 und der vorzugsweise auf Massepotential liegenden Wand 7 der Kammer kann beispielsweise durch ein Spannungsmessgerät 12 gemessen werden. Weiterhin kann die Spannung zwischen der Kathode 2 und der Wand 7 mit einem weiteren Spannungsmessgerät 13 gemessen werden. Die Wand 7 der Plasmaionenquelle 1 und die Wand 8 der Vakuumbeschichtungsanlage sind beispielsweise durch Isolierungen 9 von der Anode 3 und der Kathode 2 elektrisch isoliert.
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Die Kathode 2 weist ein Heizelement (nicht dargestellt) auf, das über eine weitere Spannungsversorgung 10 betrieben wird. Das Heizelement kann insbesondere unter der Oberfläche der vorzugsweise zylinderförmigen Kathode 2 angeordnet sein und die Kathode 2 durch Wärmestrahlung beheizen. Durch die zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 angelegte Gleichspannung wird in einem in den Zwischenraum zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 eingelassenen Prozessgas ein Glimmentladungsplasma gezündet. Das Prozessgas kann beispielsweise Argon oder Sauerstoff enthalten und durch einen Gaseinlass (nicht dargestellt) in die Plasmaionenquelle 1 eingelassen werden. Von der beheizten Kathode 2 werden Elektronen emittiert, welche in Richtung der Anode 3 beschleunigt werden und Atome des Prozessgases ionisieren. Die Anode 3 ist vorzugsweise von einem Magneten 6, insbesondere einem Solenoidmagneten, umgeben, der ein Magnetfeld erzeugt, durch dass die Elektronen auf Spiralbahnen gezwungen werden. Dadurch wird die Weglänge der Elektronen erhöht und somit die Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße mit den Atomen des Prozessgases erhöht. Durch das Magnetfeld des Solenoidmagneten 6 und eine elektrische Spannung zwischen der Kathode 2 und einem vorzugsweise auf Massepotential liegenden Substrathalter der Vakuumbeschichtungsanlage wird weiterhin bewirkt, dass die in der Plasmaionenquelle 1 erzeugten positiven Ionen in eine Hauptstrahlrichtung 14 der Plasmaionenquelle emittiert werden.
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Die Anode 3 der Plasmaionenquelle 1 ist vorzugsweise rohrförmig und rotationssymmetrisch zur Hauptstrahlrichtung 14 der Plasmaionenquelle 1. Die Kathode 2 weist beispielsweise eine zylinderförmige Seitenwand 2a und ein kreisförmiges Deckelteil 2b auf, unter dem vorzugsweise die nicht dargestellte Heizvorrichtung angeordnet ist. Die Kathode 2 ist bevorzugt ebenfalls rotationssymmetrisch zur Hauptstrahlrichtung 14 der Plasmaionenquelle 1.
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Unter der Kathode 2 ist ein elektrisch isolierendes Element 4 angeordnet, das insbesondere als Sockel für die Kathode 2 dient. Das elektrisch isolierende Element 4 weist ein Keramikmaterial auf. Bevorzugt handelt es sich bei dem Keramikmaterial um Bornitrid. Durch das elektrisch isolierende Element können insbesondere elektrische Anschlussleitungen 15, 16 für die Kathode 2 und/oder ein Heizelement der Kathode hindurch geführt sein.
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Das elektrisch isolierende Element 4 weist beispielsweise einen ersten Bereich 4a und einen zweiten Bereich 4b auf. Der erste Bereich 4a kann beispielsweise die Form eines Zylinders und der zweite Bereich 4b die Form eines Kegelstumpfs aufweisen. Der zweite Bereich 4b ist vorzugsweise zwischen dem ersten Bereich 4a und der Kathode 2 angeordnet, wobei sich ein Querschnitt des zweiten Bereichs 4b in Richtung zur Kathode 2 hin verjüngt. Insbesondere kann der erste Bereich 4a des elektrisch isolierenden Elements 4 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, der größer ist als ein kreisförmiger Querschnitt der Kathode 2. Der kegelstumpfförmige Bereich 4b weist an der an dem ersten Bereich 4a angrenzenden Seite eine Querschnittsfläche auf, die dem ersten Bereich 4a entspricht, und weist an der an die Kathode 2 angrenzenden Seite eine Querschnittsfläche auf, welche der Querschnittsfläche der Kathode 2 entspricht. Der zweite Bereich 4b schließt somit bündig an den ersten Bereich 4a und die Kathode an.
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Auf zumindest einem Bereich der Oberfläche des elektrisch isolierenden Elements 4 ist vorteilhaft ein Metall 5 angeordnet. Insbesondere kann das Metall 5 auf dem zweiten Bereich 4b des elektrisch isolierenden Elements 4 angeordnet sein, der an die Kathode angrenzt.
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Da Metall 5 auf der Oberfläche des Bereichs 4b des elektrisch isolierenden Elements 4 verhindert, dass positive Ionen, die in dem Plasma in Richtung der Kathode 2 beschleunigt werden, unmittelbar auf die Oberfläche des Bereichs 4b des elektrisch isolierenden Elements 4 aus dem Keramikmaterial auftreffen. Dies könnte ansonsten zur Folge haben, dass die auftreffenden Ionen das elektrisch isolierende Keramikmaterial aus dem elektrisch isolierenden Element 4 herausschlagen, so dass sich dieses möglicherweise auf der Oberfläche der Anode 3 ablagert. Eine derartige Abscheidung von elektrisch isolierendem Material auf den Oberflächen der Anode 3 würde die Leitfähigkeit der Anode vermindern und könnte somit zu einer Reduzierung der Ionenemission der Plasmaionenquelle 1 mit zunehmender Betriebszeit führen. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere der unmittelbar an die Kathode 2 angrenzende Bereich 4b des elektrisch isolierenden Elements 4 aus dem Keramikmaterial von Ionen getroffen wird, die in Richtung der Kathode 2 beschleunigt werden. Daher ist es besonders vorteilhaft, insbesondere auf diesen Bereich 4b des elektrisch isolierenden Elements 4 das Metall 5 aufzubringen.
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Bei dem Metall 5 kann es sich insbesondere um Titan, Hafnium oder Zirkon handeln. Diese Metalle zeichnen sich durch eine hohe Schmelztemperatur und eine vergleichsweise gute Stabilität gegen die Einwirkung von hochenergetischen Ionen auf. Alternativ wäre es auch möglich, ein anderes Metall oder eine Metallverbindung auf zumindest einen Teilbereich 4b des elektrisch isolierenden Elements 4 aufzubringen, dass sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Materialabtrag durch hochenergetische Ionen auszeichnet. Insbesondere weist das Metall 5 einen Schmelzpunkt auf, der oberhalb von 1500°C liegt.
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Das Metall 5 ist beispielsweise als Beschichtung auf den zumindest einen Teilbereich 4b des elektrisch isolierenden Elements 4 aufgebracht. Beispielsweise kann zumindest dieser Bereich 4b des elektrisch isolierenden Elements 4 vor dem Einbau in die Plasmaionenquelle 1 durch Sputtern oder ein anderes Vakuumbeschichtungsverfahren mit dem Metall 5 beschichtet werden.
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Alternativ ist es möglich, dass das Metall 5 ein separat gefertigtes Element ist, das zumindest auf den Teilbereich 4b des elektrisch isolierenden Elements 4 aufgesetzt ist. Insbesondere kann das Metall 5 als separat gefertigtes Element formschlüssig mit dem elektrisch isolierenden Element 4 verbunden sein. Das Metall 5 kann beispielsweise als Haube auf den Bereich 4b des elektrisch isolierenden Elements 4 aufgesteckt sein.
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Durch die hierin beschriebene Modifizierung des unter der Kathode 2 angeordneten elektrisch isolierenden Elements 4 aus dem Keramikmaterial kann mit vergleichsweise geringem Aufwand die Qualität von Beschichtungen, die in einer mit der Plasmaionenquelle 1 ausgerüsteten Vakuumbeschichtungsanlage hergestellt werden, signifikant verbessert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Herstellung von Beschichtungen, die hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Brechzahl und der Schichtdicke, oder an andere Schichteigenschaften wie die Schichtstruktur, die Schichtspannung oder die Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und Klimaeinflüssen, aufweisen.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
