DE102015109809A1 - Coated plastic substrate, organo-electric device and method for producing a coated plastic substrate - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mit einer Permeationsbarriereschicht beschichtetes Kunststoff-Substrat 2, ein organo-elektrisches Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Permeationsbarriereschicht beschichteten Kunststoff-Substrats 2.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Permeationsbarriereschicht auf einem Kunststoff-Substrat anzugeben, welche sehr gute Barriereeigenschaften und eine hohe Transparenz miteinander vereint.
Dazu enthält die Permeationsbarriereschicht die Elemente Silizium und/oder Aluminium sowie Sauerstoff und Stickstoff, wobei das Schichtkonzentrationsverhältnis der Menge des Stickstoffs in der Schicht zu der Menge des Sauerstoffs in der Schicht mindestens 1:4 in einer Schicht ohne Aluminium, mindestens 1:4 in einer Schicht mit Silizium und Aluminium und mindestens 2:3 in einer Schicht ohne Silizium ist.
The invention relates to a plastic substrate 2 coated with a permeation barrier layer, to an organoelectric component and to a method for producing a plastic substrate 2 coated with a permeation barrier layer.
The object of the invention is to provide a Permeationsbarriereschicht on a plastic substrate, which combines very good barrier properties and high transparency with each other.
For this purpose, the permeation barrier layer contains the elements silicon and / or aluminum as well as oxygen and nitrogen, the layer concentration ratio of the amount of nitrogen in the layer to the amount of oxygen in the layer at least 1: 4 in a layer without aluminum, at least 1: 4 in one Layer with silicon and aluminum and at least 2: 3 in a layer without silicon.

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Description

Die Erfindung betrifft ein mit einer Permeationsbarriereschicht beschichtetes Kunststoff-Substrat, ein organo-elektrisches Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Permeationsbarriereschicht beschichteten Kunststoff-Substrats. The invention relates to a plastic substrate coated with a permeation barrier layer, to an organoelectric component and to a method for producing a plastic substrate coated with a permeation barrier layer.

Flexible Polymerfolien mit Barrierefunktion sind heute aus der industriellen Anwendung nicht mehr wegzudenken. Die zunehmende Leistungsfähigkeit neu entwickelter Barrierefolien erschließt völlig neue Anwendungsfelder. Inzwischen kann unflexibles Barrierematerial wie Glas teils durch flexible Hochbarrierefolien ersetzt werden. Dies führt zu neuen Produkten, wie sie derzeit vor allem im Bereich der Polymerelektronik entwickelt werden. Beispiele sind flexible LC- oder OLED-Displays ( S. Amberg-Schwab, in: “Handbook of Sol-Gel-Science”, Vol.3, 2003 ; K. Jopp, SCHOTT-Info, 99, 2001, 21 ; H. -Ch. Langowski, Galvanotechnik, 11, 2003, 2800 ; T. Dobbertin, E. Becker, T. Benstem, H. -H.-Johannes, D. Metzdorf, H. Neuner, W. Kowalsky, Carolo Wilhelmina, 1, 2002, 70 ) oder gedruckte Schaltungen für Transponder-Chips. Flexible polymer films with a barrier function have become indispensable in industrial applications today. The increasing efficiency of newly developed barrier films opens up completely new fields of application. In the meantime, inflexible barrier material such as glass can be replaced by flexible high-barrier films. This leads to new products, as they are currently being developed, especially in the field of polymer electronics. Examples are flexible LC or OLED displays ( S. Amberg-Schwab, in: "Handbook of Sol-Gel-Science", Vol.3, 2003 ; K. Jopp, SCHOTT-Info, 99, 2001, 21 ; H. -Ch. Langowski, Galvanotechnik, 11, 2003, 2800 ; T. Dobbertin, E. Becker, T. Benstem, H.-H.-Johannes, D. Metzdorf, H. Neuner, W. Kowalsky, Carolo Wilhelmina, 1, 2002, 70 ) or printed circuits for transponder chips.

Auch andere Bauelemente, wie flexible Solarzellen ( S. Amberg-Schwab, in: “Handbook of Sol-Gel-Science”, Vol.3, 2003 ), sind ohne Polymerfolien mit Hochbarrierefunktion nicht realisierbar. Die Suche nach immer neuen und besseren Barrierematerialien bleibt daher eine Herausforderung. Other components, such as flexible solar cells ( S. Amberg-Schwab, in: "Handbook of Sol-Gel-Science", Vol.3, 2003 ), are not feasible without polymer films with high barrier function. The search for new and better barrier materials remains a challenge.

Prinzipiell bestehen zur Erhöhung der Barrierewirkung bei Kunststoffen neben der Beeinflussung der Materialmorphologie drei Möglichkeiten: Verwendung eines anderen Materials (Blends, Nanocomposite), Mehrschichtverbunde (Multilayer) oder Dünnschichttechnologien (Lackbasierte Beschichtungen, PVD – Physical Vapour Deposition, physikalische Gasphasenabscheidung, PE-CVD – plasma-enhanced chemical vapour deposition, plasmaaktivierte chemische Dampfabscheidung). In principle, in addition to influencing the material morphology, there are three possibilities for increasing the barrier effect in plastics: use of another material (blends, nanocomposites), multilayer composites or thin-film technologies (paint-based coatings, PVD - Physical Vapor Deposition, PE-CVD-plasma -enhanced chemical vapor deposition, plasma-activated chemical vapor deposition).

Nur bei den plasmagestützten Dünnschichttechnologien wird die notwendige Barriereeigenschaft bereits bei sehr kleinen Schichtdicken im Bereich von 20 nm bis 200 nm erreicht. Beispielsweise stehen heute Polymerfolien zur Verfügung, die in Verbindung mit einer im Vakuum aufgedampften PVD-Schicht aus AlOx oder SiOx eine so niedrige Durchlässigkeit gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf aufweisen, dass Lebensmittel innerhalb der vorgegebenen Haltbarkeitsdauer vor Oxidation, Feuchteeinwirkung oder -verlust geschützt werden können. Only in the case of plasma-assisted thin-film technologies is the necessary barrier property achieved even at very small layer thicknesses in the range of 20 nm to 200 nm. For example, today polymer films are available, which have in combination with a vapor-deposited PVD layer of AlO x or SiO x so low permeability to oxygen and water vapor that food can be protected within the specified shelf life from oxidation, moisture or loss ,

Derartig beschichtete Polymerfolien werden in großen Mengen industriell gefertigt und stehen zu günstigen Preisen zur Verfügung. Sie erreichen (bezogen auf eine 12 µm PET-Folie mit einer anorganischen Schicht) eine Sauerstoff-Durchlässigkeit (OTR: Oxygen Transmission Rate) unter 1 cm3/(m2·d·bar) und eine Wasserdampf-Durchlässigkeit (WVTR: Water Vapour Transmission Rate) unter 0,1 g/(m2·d). Such coated polymer films are industrially manufactured in large quantities and are available at low prices. They achieve (based on a 12 μm PET film with an inorganic layer) an oxygen transmission rate (OTR: oxygen transmission rate) of less than 1 cm 3 / (m 2 · dbar) and a water vapor permeability (WVTR: Water Vapor Transmission rate) below 0.1 g / (m 2 · d).

Letzteres bedeutet, dass 0,1 g Wasser innerhalb eines Tages durch 1 m2 einer Kunststofffolie unter den Rahmenparametern hindurch diffundieren kann. The latter means that 0.1 g of water can diffuse through 1 m 2 of a plastic film under the frame parameters within one day.

Auch Permeationsbarriereschichten aus Zink-Zinn-Oxid, welche mittels Sputtern auf einen Kunststoff aufgebracht werden können, sind bekannt. Also permeation barrier layers of zinc-tin oxide, which can be applied by sputtering on a plastic, are known.

Die Firma General Atomics, die einen Rolle-zu-Rolle Prozess für die Beschichtung von flexiblen PC-Folien mit Aluminiumoxid (ca. 80 nm) entwickelt hat, erreicht mit einer einzigen Beschichtung sogar eine Wasserdampf-Durchlässigkeit von 10–4 g/(m2·d). The company General Atomics, which has developed a roll-to-roll process for coating flexible PC films with alumina (about 80 nm), even achieves a water vapor transmission of 10 -4 g / (m 2 · d).

Allerdings weisen Schichten aus Aluminiumoxid oder Zink-Zinn-Oxid den Nachteil ungenügender Eigenschaften außerhalb der Permeationseigenschaften, wie beispielsweise schlechte optische Eigenschaften, insbesondere eine schlechte Transparenz, auf. However, layers of alumina or zinc-tin oxide have the disadvantage of insufficient properties outside the permeation properties, such as poor optical properties, in particular poor transparency.

Eine Möglichkeit, bessere optische Eigenschaften zu erreichen ist die Verwendung von Siliziumoxid als Schichtmaterial. Damit besteht beispielsweise die Möglichkeit, den Brechungsindex kleiner als 1,5 einzustellen. Allerdings hat es sich gezeigt, dass eine Permeationsbarriereschicht aus einem Siliziumoxid schlechte Permeationsbarriereeigenschaften aufweist. So zeigt eine Siliziumoxidschicht bei 90 % Luftfeuchtigkeit und bei 38 °C Umgebungstemperatur eine Wasserdampf-Durchlässigkeit von 1 g/m2/d. Dies ist für viele Anwendungsbereiche, bei denen das Substrat, insbesondere die Kunststofffolie, zur Herstellung weiterer Eigenschaften mit weiteren Schichten versehen werden soll, nicht akzeptabel. One way to achieve better optical properties is the use of silicon oxide as a layer material. Thus, for example, it is possible to set the refractive index smaller than 1.5. However, it has been found that a permeation barrier layer made of a silicon oxide has poor permeation barrier properties. Thus, a silicon oxide layer at 90% humidity and at 38 ° C ambient temperature, a water vapor permeability of 1 g / m 2 / d. This is unacceptable for many applications in which the substrate, in particular the plastic film, is to be provided with further layers for the production of further properties.

Alternativ können transparente Barriereschichten auch mittels Plasmapolymerisation im Niederdruckbereich (PE-CVD) wirtschaftlich und umweltfreundlich als Dünnschicht auf Kunststoffen appliziert werden ( B. Jacoby, W. Bock, M. Haupt, H. Hilgers, M. Kopnarski, J. Molter, C. Oehr, T. Rühle u. a.: Abscheidung, Charakterisierung und Anwendung von Plasma-Polymerschichten auf HMDSO-Basis. In: Vakuum in Forschung und Praxis Bd. 18 (2006), Nr. 4, S. 12–18 , H. Kobayashi, A. T. Bell, M. Shen: Plasma Polymerization of Saturated and Unsaturated Hydrocarbons. In: Macromolecules Bd. 7 (1974), Nr. 3, S. 277–283 ; H. Yasuda, Y. Matsuzawa: Economical Advantages of Low-Pressure Plasma Polymerization Coating. In: Plasma Processes and Polymers Bd. 2 (2005), Nr. 6, S. 507–512 ). Alternatively, transparent barrier layers can also be applied by means of plasma polymerization in the low-pressure region (PE-CVD) economically and environmentally friendly as a thin layer on plastics ( B. Jacoby, W. Bock, M. Haupt, H. Hilgers, M. Kopnarski, J. Molter, C. Oehr, T. Rühle et al.: Deposition, characterization and application of HMDSO-based plasma polymer layers. In: Vacuum in Research and Practice Bd. 18 (2006), No. 4, pp. 12-18 . H. Kobayashi, AT Bell, M. Shen: Plasma Polymerization of Saturated and Unsaturated Hydrocarbons. In: Macromolecules Bd. 7 (1974), No. 3, pp. 277-283 ; H. Yasuda, Y. Matsuzawa: Economical Advantages of Low-Pressure Plasma Polymerization Coating. In: Plasma Processes and Polymers Vol. 2 (2005), No. 6, pp. 507-512 ).

Die Plasmapolymerisation basiert im Wesentlichen auf der Anregung von Gasen zu einem reaktiven Plasma mittels Energieeinkopplung und der Abscheidung der aktivierten Molekülfragmente auf der Substratoberfläche ( A. Grill: Cold Plasma in Materials Fabrication, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Press. In: Inc., New York (1994), S. 2–5 ). Die im Plasma aktivierten Moleküle und Molekülfragmente polymerisieren auf der Substratoberfläche zu einer hochvernetzten funktionalen Plasmapolymerschicht. Die nicht im Plasma umgesetzten Restgase werden durch Vakuumpumpen dem Prozess entzogen. The plasma polymerization is based essentially on the excitation of gases to a reactive plasma by means of energy coupling and the deposition of the activated molecular fragments on the substrate surface ( A. Grill: Cold Plasma in Materials Fabrication, The Institute of Electrical Engineers and Electronics, Press. In: Inc., New York (1994), pp. 2-5 ). The plasma-activated molecules and molecular fragments polymerize on the substrate surface to form a highly cross-linked functional plasma polymer layer. The non-reacted in the plasma residual gases are removed by vacuum pumps the process.

Für technische Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Sauerstoff- und Wasserdampf-Barriereeigenschaften reicht diese Technologie jedoch nicht aus. Ein deutlicher Anstieg der Barriereeigenschaften kann hierbei durch einen Mehrschichtaufbau erzielt werden. Dieser sorgt im Wesentlichen für eine Abdeckung von Fehlstellen aufgrund von makroskopischen Defekten an der Folienoberfläche, wie sie beispielsweise durch Antiblockmittel, Poren oder Staub hervorgerufen werden. For technical applications with high demands on the oxygen and water vapor barrier properties, however, this technology is not sufficient. A clear increase in the barrier properties can be achieved by a multi-layer structure. This essentially ensures a covering of defects due to macroscopic defects on the film surface, as they are caused for example by anti-blocking agent, pores or dust.

In der Fachliteratur ist es allgemeiner Konsens, dass Schichtdefekte für die Barriereeigenschaften entscheidend sind. Es ist also notwendig, möglichst defektarme Schichten und Schichtsysteme abzuscheiden. Dazu werden unterschiedliche Strategien verfolgt. There is general consensus in the literature that layer defects are critical to barrier properties. It is therefore necessary to deposit as low-defect layers and layer systems. For this purpose, different strategies are pursued.

Zum einen orientieren viele Untersuchungen auf die Bereitstellung einer möglichst hochwertigen und perfekt glatten Substratoberfläche. Das ist in der Tat ein sehr wirkungsvoller Ansatz, da Permeationsbarriereschichten im Allgemeinen keine Substratdefekte abdecken können. Man kann bereits bei einigen Herstellern Folien mit speziellen Planarisierungsschichten beziehen (z. B. TEONEX® Q65FA). Einfachere Lösungen bestehen in der Vermeidung von Antiblockpartikeln auf einer der beiden Folienseiten (z. B. PET MELINEX® 400). Die besten heute hergestellten Permeationsbarriereschichtsysteme weisen mehrere Zwischenlagen mit planarisierender Wirkung auf, die Teil des Beschichtungsprozesses selbst sind (z. B. ORMOCER®, Flash-Verdampfung von Acrylat). On the one hand, many investigations are aimed at providing the highest possible and perfectly smooth substrate surface. This is indeed a very effective approach because permeation barrier layers generally can not cover substrate defects. It is already possible to purchase films with special planarization layers from some manufacturers (eg TEONEX ® Q65FA). Simpler solutions are to avoid antiblocking particles on one side of the film (eg PET MELINEX ® 400). The best Permeationsbarriereschichtsysteme manufactured today have several intermediate layers on with planarizing effect that part of the coating process themselves (eg. As ORMOCER® ®, flash evaporation of acrylate).

Zum anderen ist es nötig, den Beschichtungsprozess selbst als Quelle möglicher Defekte im Auge zu behalten. Bei PE-CVD Verfahren kann es beispielsweise zu Agglomerationen in der Gasphase kommen. Aber auch bei Sputterprozessen sind Schichtdefekte zu beobachten. On the other hand, it is necessary to keep an eye on the coating process itself as a source of possible defects. In the case of PE-CVD processes, for example, agglomeration in the gas phase can occur. But layer defects can also be observed in sputtering processes.

Weiterhin können Barriereschichten als Einzelschicht mittels Atomlagenabscheidung (ALD, atomic layer deposition) hergestellt werden. Die ALD zeigt aufgrund ihrer besonders konformen Bedeckung der Substratoberfläche und sehr dichter Schichten sehr gute Barriereeigenschaften (Wasserdampfdurchlässigkeit von < 10–3 g/(m2·d)), weist aber derzeit noch eine geringe Produktivität auf. Furthermore, barrier layers can be produced as a single layer by means of atomic layer deposition (ALD). Due to its particularly conformal coverage of the substrate surface and very dense layers, the ALD shows very good barrier properties (water vapor permeability of <10 -3 g / (m 2 · d)), but currently still has a low productivity.

Zur Erzielung besonders guter Barriereeigenschaften wird derzeit die eigentliche Barriereschicht mit einer oder mehreren Polymerschichten kombiniert. Die Polymerschichten haben die Aufgabe, das Defektwachstum zu unterbrechen, die Oberfläche einzuebnen, Partikel zu überdecken und, im Vergleich zu einer dicken Einzelschicht, Schichtspannungen und die Tendenz zur Rissbildung zu reduzieren. Typischerweise werden mit Schichtsystemen geringere Wasserdampf-Durchlässigkeiten erreicht als mit Einzelschichten. Die niedrigsten Werte liegen bei unter 10–5 g/(m2·d) in einem stationären Prozess. Für Rolle-zu-Rolle-Prozesse werden Werte im Bereich von 10–3 bis 10–4 g/(m2·d) publiziert. To achieve particularly good barrier properties, the actual barrier layer is currently combined with one or more polymer layers. The purpose of the polymer layers is to disrupt the growth of defects, level the surface, cover particles and, compared to a thick single layer, reduce stress in layers and the tendency to crack. Typically, lower water vapor permeabilities are achieved with layer systems than with single layers. The lowest values are below 10 -5 g / (m 2 · d) in a stationary process. For roll-to-roll processes, values in the range of 10 -3 to 10 -4 g / (m 2 · d) are published.

Technische Anwendungen, wie z. B. LEDs und anorganische Solarzellen im elektronischen Bereich, benötigen Barriereschichten, die deutlich über den Barrieremöglichkeiten liegen, die aktuell Stand der Technik bei technischen Folien oder Folienverbunden sind. Organische Solarzellen und OLEDs (Organic Light Emitting Diode, Organische Leuchtdiode) stellen höchste Ansprüche an Verkapselungen, da sie extrem sauerstoff- und wasserdampfempfindlich sind. Technical applications, such. As LEDs and inorganic solar cells in the electronic field, require barrier layers that are well above the barrier options that are currently state of the art in technical films or film composites. Organic solar cells and OLEDs (Organic Light Emitting Diode) place the highest demands on encapsulation because they are extremely sensitive to oxygen and water vapor.

Zudem wird an neuartige Ultra-Hochbarrieren die Anforderung gestellt, eine flexible Verkapselung möglich zu machen. Herkömmlicherweise werden derartig sauerstoff- und wasserdampfempfindliche Produkte mit Glasplatten gekapselt, was teuer ist und vor allem unnötiges Gewicht mit sich bringt. In addition, the requirement is made for novel ultra-high barriers to make a flexible encapsulation possible. Conventionally, such oxygen and water vapor sensitive products are encapsulated with glass plates, which is expensive and above all brings unnecessary weight.

Aktuelle Ultrabarrierekonzepte basieren auf der Kombination von hybridpolymeren Barrierelacken, wie z. B. ORMOCER®, und anorganischen PVD-Barriereschichten. Die Schichteigenschaften aus beiden Barrierematerialien werden in Synergien genutzt, um potenzielle Defekte an der Barriere kompensieren zu können. Current ultra-barrier concepts are based on the combination of hybrid polymer barrier coatings such. B. ORMOCER ® , and inorganic PVD barrier layers. The layer properties of both barrier materials are exploited in synergies to compensate for potential barrier defects.

Von Interesse sind Entwicklungen, welche eine deutliche Gewichtsersparnis, erkennbar geringere Material- und Herstellungskosten (Low cost roll-to roll Fertigung) und neue Einsatzbereiche und Produktgeometrien realisieren. Of interest are developments which realize a significant weight saving, recognizable lower material and manufacturing costs (low cost roll-to-roll production) and new application areas and product geometries.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Permeationsbarriereschicht auf einem Kunststoff-Substrat anzugeben, die sehr gute Barriereeigenschaften und eine hohe Transparenz miteinander vereint. It is the object of the invention to specify a permeation barrier layer on a plastic substrate which combines very good barrier properties and high transparency with one another.

Bevorzugt sollen solche Barriereeigenschaften mit einer einzigen Barriereschicht erzielt werden, wie sie nach dem derzeitigen Stand der Technik lediglich mit Schichtsystemen bestehend aus mehreren Einzelschichten erreichbar sind. Preferably, such barrier properties should be achieved with a single barrier layer, as in the current state of the art can only be achieved with layer systems consisting of several individual layers.

Weiterhin ist ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem unter Nutzung eines Rohrmagnetrons eine solche Permeationsbarriereschicht mit verbesserten Eigenschaften und unter Gewährleistung guter Produktivität auf Kunststoffe, insbesondere Kunststoff-Folien, aufgebracht werden kann. Furthermore, a method is proposed, with the use of a tubular magnetron such Permeationsbarriereschicht with improved properties and while ensuring good productivity on plastics, especially plastic films can be applied.

Weiter bevorzugt soll das Verfahren für die Implementierung in einen Rolle-zu-Rolle-Prozess geeignet sein. More preferably, the method should be suitable for implementation in a role-to-role process.

Außerdem soll eine Möglichkeit angegeben werden, mit der eine flexible Verkapselung, insbesondere von OLEDs und organischen Solarzellen, realisiert werden kann. In addition, a possibility should be provided with which a flexible encapsulation, in particular of OLEDs and organic solar cells, can be realized.

Diese Aufgabe wird mit einem beschichteten Kunststoff-Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein organo-elektrisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Ein Herstellungsverfahren für ein mit einer solchen Permeationsbarriereschicht beschichtetes Kunststoff-Substrat weist die Merkmale des Anspruchs 6 auf. Die jeweils abhängigen Unteransprüche zeigen günstige Ausgestaltungen. This object is achieved with a coated plastic substrate having the features of claim 1 and an organo-electrical component having the features of claim 4. A manufacturing method for a plastic substrate coated with such a permeation barrier layer has the features of claim 6. The respective dependent subclaims show favorable embodiments.

Eine erfindungsgemäße Permeationsbarriereschicht auf einem entsprechend beschichteten Kunststoff-Substrat enthält die Elemente Silizium und/oder Aluminium sowie Sauerstoff und Stickstoff. Das Schichtkonzentrationsverhältnis der Menge des Stickstoffs in der Schicht zu der Menge des Sauerstoffs in der Schicht ist mindestens 1:4 in einer Schicht ohne Aluminium, mindestens 1:4 in einer Schicht mit Silizium und Aluminium und mindestens 2:3 in einer Schicht ohne Silizium. A permeation barrier layer according to the invention on a correspondingly coated plastic substrate contains the elements silicon and / or aluminum as well as oxygen and nitrogen. The layer concentration ratio of the amount of nitrogen in the layer to the amount of oxygen in the layer is at least 1: 4 in a layer without aluminum, at least 1: 4 in a layer with silicon and aluminum and at least 2: 3 in a layer without silicon.

Klarstellend sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den angegebenen Verhältnissen um das über die Schichtdicke gemittelte Stoffmengenverhältnis der Elemente Stickstoff und Sauerstoff handelt. Dieses Stoffmengenverhältnis kann beispielsweise mittels Glow Discharge Optical Spectroscopy bestimmt werden. By way of clarification, it should be pointed out that the ratios given are the molar ratio of the elements nitrogen and oxygen, averaged over the layer thickness. This molar ratio can be determined for example by means of Glow Discharge Optical Spectroscopy.

Es ist es möglich, dass die Permeationsbarriereschicht Silizium, Aluminium oder beides enthält. Grundsätzlich besteht die Permeationsbarriereschicht jedoch immer aus einer Sauerstoff und Stickstoff enthaltenden Verbindung, beispielsweise aus einem Silizium-Oxy-Nitrid, einem Aluminium-Oxy-Nitrid oder einer Mischung von beidem. It is possible that the permeation barrier layer contains silicon, aluminum or both. In principle, however, the permeation barrier layer always consists of an oxygen and nitrogen-containing compound, for example of a silicon-oxy-nitride, an aluminum-oxy-nitride or a mixture of both.

Es hat sich gezeigt, dass ein Anteil von 15 Mol-% Stickstoff in der Schicht bereits eine Verbesserung der Permeationsbarriereeigenschaften im Vergleich zu einer rein oxidischen Schicht ergibt. Bei 20 Mol-% sind sie deutlich besser. Reine Nitride sind wegen ihrer Brüchigkeit insbesondere für weiche Kunststoff-Substrate weniger geeignet. It has been found that a proportion of 15 mol% of nitrogen in the layer already gives an improvement in the permeation barrier properties in comparison to a purely oxidic layer. At 20 mol% they are much better. Pure nitrides are less suitable because of their brittleness, especially for soft plastic substrates.

Gleichzeitig weist das erfindungsgemäße mit einer Permeationsbarriereschicht beschichtete Kunststoff-Substrat eine hohe optische Transparenz im Bereich des sichtbaren Lichts aus, wie beispielsweise in 5 für eine Siliziumoxinitridschicht mit einer Schichtdicke von ca. 200 nm zu erkennen ist. At the same time, the plastic substrate according to the invention coated with a permeation barrier layer has a high optical transparency in the visible light range, such as in FIG 5 can be seen for a Siliziumoxinitridschicht with a layer thickness of about 200 nm.

So hat sich bei einer Polyethylenterephthalat (PET)-Folie mit einer Dicke von 75 µm gezeigt, dass bei einer Permeationsbarriereschicht mit einer Dicke von 100 nm unter dem Zusatz von Stickstoff in der Permeationsbarriereschicht eine Wasserdampfdurchlässigkeit von 0,15 g/m2/d und bei einer 300 nm dicken Schicht sogar nur von 0,07 g/m2/d erreichen lässt. Thus, with a polyethylene terephthalate (PET) film having a thickness of 75 μm, it has been found that with a permeation barrier layer having a thickness of 100 nm with the addition of nitrogen in the permeation barrier layer, a water vapor permeability of 0.15 g / m 2 / d and even reach only 0.07 g / m 2 / d in a 300 nm thick layer.

Die Sauerstoffdurchlässigkeit verhält sich ähnlich. The oxygen permeability behaves similarly.

Gemäß einer Ausführungsvariante besteht das beschichtete Kunststoff-Substrat aus Polyethylenterephthalat (PET). „Besteht aus“ bezieht sich dabei auf das Polymermaterial des Kunststoffs. Zusätzlich können Additive, wie beispielsweise Weichmacher, Stabilisatoren, Farbmittel, Flammschutzmittel, Verstärkungsstoffe oder Füllstoffe enthalten sein. According to one embodiment variant, the coated plastic substrate consists of polyethylene terephthalate (PET). "Passes out" refers to the polymer material of the plastic. In addition, additives such as plasticizers, stabilizers, colorants, flame retardants, reinforcing agents or fillers may be included.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist das Kunststoff-Substrat eine Kunststoff-Folie. Unter Folie ist dabei ein dünnes Blatt mit einer Dicke von weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 500 µm, weiter bevorzugt weniger als 100 µm, zu verstehen. According to a further embodiment, the plastic substrate is a plastic film. By foil is meant a thin sheet having a thickness of less than 1 mm, preferably less than 500 μm, more preferably less than 100 μm.

Hauptvorteil von Folien ist ihre Flexibilität, so dass sie beispielsweise zur Herstellung von flexiblen Displays oder flexiblen Solarzellen eingesetzt werden können. Zudem zeichnen sie sich durch einen sehr geringen Materialverbrauch aus. The main advantage of films is their flexibility, so that they can be used, for example, for the production of flexible displays or flexible solar cells. In addition, they are characterized by a very low material consumption.

Das erfindungsgemäße mit einer Permeationsbarriereschicht beschichtete Kunststoff-Substrat kann Teil eines organo-elektrischen Bauelements sein, so dass ein entsprechendes organo-elektrisches Bauelement ein wie zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes beschichtetes Kunststoff-Substrat aufweist. The plastic substrate coated with a permeation barrier layer according to the invention may be part of an organo-electrical component, so that a corresponding organo-electrical component has a coated plastic substrate according to the invention as described above.

Derartige organo-elektrische Bauelemente können beispielsweise organische Leuchtdioden, z. B. für Displays oder Leuchten, und/oder organische Solarzellen aufweisen. Such organo-electrical components, for example, organic light emitting diodes, z. B. for displays or lights, and / or organic solar cells.

Durch die Verwendung des erfindungsgemäß beschichteten Kunststoff-Substrats wird eine flexible Verkapselung ermöglicht, die sehr gute Barriereeigenschaften aufweist, während optische Beeinträchtigungen minimiert oder sogar ganz vermieden werden können. By using the plastic substrate coated according to the invention, a flexible encapsulation is made possible, which has very good barrier properties, while optical Impairments can be minimized or even completely avoided.

Eine derartige Verkapselung weist zudem ein sehr geringes Gewicht auf und trägt dazu bei, die Material- und Herstellungskosten von OLEDs und organischen Solarzellen zu verringern sowie neue Einsatzbereiche und Produktgeometrien zu ermöglichen. Such an encapsulation also has a very low weight and helps to reduce the material and manufacturing costs of OLEDs and organic solar cells as well as to enable new areas of application and product geometries.

Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung des mit einer Permeationsbarriereschicht beschichteten Kunststoff-Substrats, indem das Kunststoff-Substrat in einer Transportrichtung in einem Beschichtungsbereich einer Durchlauf-Sputteranlage bewegt wird und die Permeationsbarriereschicht mittels Sputtern von zumindest einem Rohrmagnetron mit einem Target in dem Beschichtungsbereich auf dem Kunststoff-Substrat abgeschieden wird. According to the invention, the plastic substrate coated with a permeation barrier layer is produced by moving the plastic substrate in a transport direction in a coating area of a continuous sputtering machine and the permeation barrier layer by sputtering at least one tubular magnetron with a target in the coating area on the plastic substrate is deposited.

Das Rohrmagnetron umfasst zumindest ein rohrförmiges Target sowie ein in dem Rohr angeordnetes Magnetsystem. The tubular magnetron comprises at least one tubular target and a magnet system arranged in the tube.

Konventionelle planare Magnetrons weisen auf ihren Targets große Anteile von Übergangszonen zwischen Sputtergraben und Rückstäubzonen auf. Zwischen beiden Bereichen bestehen während des Betriebs erhebliche elektrische Potenzialunterschiede, die zu Plasmabodenentladungen (Arcing) und damit zur Bildung von Defekten führen können. Conventional planar magnetrons have large amounts of transition zones between sputter trench and back dust zones on their targets. There are significant electrical potential differences between the two areas during operation, which can lead to plasma arc discharges and thus to the formation of defects.

Demgegenüber weisen Rohrtargets nur einen sehr kleinen Übergangsbereich zwischen Sputterbereich und Rückstäubzone auf, der zudem weit außerhalb des Beschichtungsbereichs liegt. Die durch den Plasmaprozess selbst verursachten Defekte können dadurch in ihrer Dichte und damit auch in ihrer negativen Wirkung wesentlich limitiert werden. In contrast, tube targets have only a very small transition area between the sputtering area and the back-dusting zone, which is also far outside the coating area. The defects caused by the plasma process itself can be significantly limited in their density and thus also in their negative effect.

Zudem verursachen Rohrmagnetrons im Vergleich zu planaren Magnetrons einen geringeren Wärmeeintrag in das Substrat. Dieser Effekt ist im Wesentlichen auf zwei Ursachen zurückzuführen. Zu einen erfolgt die Emission von energiereichen Sauerstoffionen von der Targetoberfläche defokussiert und zum anderen können die Elektronen unbehindert von einer magnetischen Abschirmung die Anode erreichen. In addition, tube magnetrons cause less heat input into the substrate compared to planar magnetrons. This effect is mainly due to two causes. On the one hand, the emission of high-energy oxygen ions from the target surface is defocused and, on the other hand, the electrons can reach the anode unhindered by a magnetic shield.

Dies ist insbesondere bei den hier betrachteten Kunststoff-Substraten von großer Bedeutung, da diese im Vergleich zu sonst genutzten Metall- und Glassubstraten eine deutlich höhere Wärmeempfindlichkeit aufweisen. Optional kann das Sputtern auch von einem Dual-Rohrmagnetron aus erfolgen. This is particularly important in the case of the plastic substrates considered here, since they have a significantly higher heat sensitivity compared to otherwise used metal and glass substrates. Optionally, the sputtering can also be done by a dual-tube magnetron.

Unter Entladungsraum ist der Raum der Plasmaentladung zu verstehen, der sich zwischen Katode und Anode ausbildet. Zum Transport des Substrats durch die Sputteranlage kann eine Substrattransportvorrichtung vorgesehen sein. Im Falle einer Rolle-zu-Rolle Sputteranlage können die Rollen zum Auf- und Abspulen als Substrattransportvorrichtung dienen. Eine Schichtabscheidung auf das Substrat erfolgt in dem Beschichtungsbereich in dem Entladungsraum. Discharge space is the space of the plasma discharge that forms between the cathode and the anode. For transporting the substrate through the sputtering system, a substrate transport device may be provided. In the case of a roll-to-roll sputtering system, the rolls can serve as a substrate transport device for winding and unwinding. A layer deposition on the substrate takes place in the coating area in the discharge space.

Die Sputtertechnologie ist gerade im Vergleich zu nasschemischen Prozessen deutlich produktiver, da sie in optimierten Durchlaufanlagen durchgeführt werden kann. Sie ermöglicht zudem die Implementierung des Beschichtungsschritts innerhalb eines Rolle-zu-Rolle-Prozesses, so dass die Herstellungskosten weiter verringert werden können. The sputtering technology is significantly more productive, especially compared to wet-chemical processes, as it can be carried out in optimized continuous flow systems. It also allows the implementation of the coating step within a roll-to-roll process, so that manufacturing costs can be further reduced.

Gemäß einer Ausführungsvariante wird in den Beschichtungsbereich ein Reaktivgas eingeleitet, welches Stickstoff und/oder Sauerstoff aufweist. Dies ermöglicht die Abscheidung der Permeationsbarriereschicht in einem reaktiven Prozess. According to one embodiment variant, a reactive gas which has nitrogen and / or oxygen is introduced into the coating area. This allows the deposition of the permeation barrier layer in a reactive process.

Bevorzugt erfolgt die Abscheidung der Permeationsbarriereschicht mittels zweier Rohrmagnetrons (Dual-Rohrmagnetron), wobei beide Magnetrons in einem bipolaren Modus betrieben werden, bei dem beide Magnetrons alternierend als Anode oder Katode geschaltet werden. The deposition of the permeation barrier layer preferably takes place by means of two tubular magnetrons (dual tube magnetron), both magnetrons being operated in a bipolar mode in which both magnetrons are switched alternately as anode or cathode.

Der bipolare Modus kann beispielsweise mittels einer bipolaren Leistungseinspeisung erreicht werden, wobei die Polarität der Leistungseinspeisung mit einer Frequenz in der Größenordnung zwischen 5 kHz und 250 kHz, vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 100 kHz, weiter bevorzugt zwischen 40 und 60 kHz, wechselt. The bipolar mode can be achieved for example by means of a bipolar power supply, wherein the polarity of the power supply with a frequency in the order of between 5 kHz and 250 kHz, preferably in the range between 10 and 100 kHz, more preferably between 40 and 60 kHz, changes.

Mit dieser Verfahrensausgestaltung wird eine Neutralisierung von den Ladungen erreicht, die sich auf isolierenden Bereichen des Targets aufbauen. Zusätzliche Effekte sind die Realisierung einer zuverlässigen Anode und die Realisierung einer im Vergleich zu DC-Prozessen erhöhten Plasmadichte am Substrat. Die genannten Faktoren tragen zur Stabilität der Entladung bei, was letztlich eine Voraussetzung für die Abscheidung einer brauchbaren Schicht mit guten Barriereeigenschaften ist. With this process design, neutralization is achieved from the charges that build up on insulating regions of the target. Additional effects are the realization of a reliable anode and the realization of a plasma density on the substrate, which is higher compared to DC processes. The factors mentioned contribute to the stability of the discharge, which is ultimately a prerequisite for the deposition of a useful layer with good barrier properties.

Vorzugsweise wird die Permeationsbarriereschicht in einem reaktiven Prozess abgeschieden, wobei ein stickstoffhaltiges und ein sauerstoffhaltiges Gas dem Entladungsraum in einer das Schichtkonzentrationsverhältnis einstellenden Dosierung zugeführt werden. Preferably, the permeation barrier layer is deposited in a reactive process, wherein a nitrogen-containing and an oxygen-containing gas are supplied to the discharge space in a slice concentration ratio adjusting dosage.

Unter einem reaktiven Prozess wird ein Sputterprozess verstanden, bei dem der Gasentladung gezielt eine bestimmte Menge eines oder mehrerer Reaktivgase, vorliegend sauerstoff- und stickstoffhaltige Gase, zugeführt werden. Ziel ist es dabei, auf dem Substrat eine Verbindungsschicht zwischen dem Material des Sputtertargets und den chemischen Komponenten des Reaktivgases abzuscheiden. Der Reaktivprozess ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Material des Sputtertargets weniger als 105 ppm (Teile pro Million) von Sauerstoff oder Stickstoff enthalten sind. A reactive process is understood as meaning a sputtering process in which the gas discharge deliberately receives a certain amount of one or more reactive gases, in this case oxygen and oxygen nitrogen-containing gases are supplied. The aim is to deposit on the substrate a bonding layer between the material of the sputtering target and the chemical components of the reactive gas. The reactive process is characterized by containing less than 10 5 ppm (parts per million) of oxygen or nitrogen in the material of the sputtering target.

Im Falle der reaktiven Abscheidung besteht das bzw. bestehen die Targets aus Silizium und/oder Aluminium. Dies umfasst im Falle des Einsatzes von zwei Rohrmagnetrons mit entsprechend zwei Targets folgende Varianten: beide Targets aus Silizium, beide Targets aus Aluminium, ein Target aus Silizium zusammen mit einem Targets aus Aluminium. Möglich ist es auch, Targets zu verwenden, in denen Aluminium und Silizium legiert sind. In the case of reactive deposition, the target consists of silicon and / or aluminum. In the case of the use of two tubular magnetrons with correspondingly two targets, this comprises the following variants: both targets of silicon, both targets of aluminum, a target of silicon together with a target of aluminum. It is also possible to use targets in which aluminum and silicon are alloyed.

Die Konzentrationen der Reaktivgase werden zur Einstellung des Konzentrationsverhältnisses in der Schicht entsprechend ihrer Reaktivität einzustellen sein. So hat Sauerstoff eine höhere Reaktivität als Stickstoff. Somit ist es beispielsweise zweckmäßig, die Sauerstoffkonzentration bei dem Reaktivgasverhältnis im Vergleich zu dem Konzentrationsverhältnis in der Schicht um 5 bis 7 % zu reduzieren oder die Stickstoffkonzentration entsprechend zu erhöhen. The concentrations of the reactive gases will be adjusted to adjust the concentration ratio in the layer according to their reactivity. So oxygen has a higher reactivity than nitrogen. Thus, for example, it is desirable to reduce the oxygen concentration at the reactive gas ratio by 5 to 7% in comparison to the concentration ratio in the layer, or to correspondingly increase the nitrogen concentration.

Vorteile der Nutzung eines reaktiven Prozesses sind zum einen die geringeren Kosten für ein metallisches Target im Vergleich zu keramischen Targets. Zum anderen ermöglicht das Sputtern von einem metallischen Target eine höhere Beschichtungsrate, da Aluminium und Silizium im Vergleich zu ihren Oxiden und Nitriden eine höhere Sputterausbeute aufweisen. Üblicherweise wird der Arbeitspunkt mit der höchsten Beschichtungsrate gewählt. Benefits of using a reactive process include the lower cost of a metallic target compared to ceramic targets. On the other hand, sputtering from a metallic target allows a higher coating rate since aluminum and silicon have a higher sputter yield compared to their oxides and nitrides. Usually the operating point with the highest coating rate is selected.

Im Falle der Verwendung eines Dual-Rohrmagnetrons erfolgt die Zufuhr des stickstoffhaltigen und des sauerstoffhaltigen Gases bevorzugt gemeinsam über einen Gaskanal, welcher zwischen beiden Rohrmagnetrons angeordnet ist. In the case of using a dual-tube magnetron, the supply of the nitrogen-containing and the oxygen-containing gas preferably takes place together via a gas channel, which is arranged between the two tubular magnetrons.

Dieser Reaktivgaskanal erstreckt sich zumindest über die gesamte Breite des Targets. Er ist bevorzugt in drei Segmente unterteilt, so dass ein mittleres Segment von zwei Randsegmenten eingeschlossen wird. Selbstverständlich ist auch eine Unterteilung in mehr als drei Segmente möglich, wobei ein mittleres Segment beidseitig von Randsegmenten eingeschlossen wird. Die Gesamtanzahl an Segmenten ist daher stets ungerade. This reactive gas channel extends at least over the entire width of the target. It is preferably divided into three segments, so that a middle segment is enclosed by two edge segments. Of course, a subdivision into more than three segments is possible, wherein a middle segment is enclosed on both sides by edge segments. The total number of segments is therefore always odd.

Eine derartige Segmentierung ermöglicht die genauere Dosierung des zugeführten Reaktivgases beispielsweise unter Beachtung von sog. Randeffekten. Somit besteht die Möglichkeit, besonders homogene Permeationsbarriereschichten, insbesondere auch quer zur Transportrichtung, zu erzeugen. Such a segmentation allows more accurate metering of the supplied reactive gas, for example, taking into account so-called edge effects. Thus, it is possible to produce particularly homogeneous permeation barrier layers, in particular also transversely to the transport direction.

Gemäß einer Ausgestaltung wird der Gasfluss für jedes Segment separat mittels eines Gasflussreglers gesteuert. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Randsegmente einen jeweils voreingestellten, aber konstant gehaltenen Gasfluss in den Entladungsraum zulassen, während das mittlere Segment optional in eine Regelschleife eingebunden werden kann. Als Führungsgröße des Regelkreises kann dabei die Entladungsspannung dienen. According to one embodiment, the gas flow for each segment is controlled separately by means of a gas flow regulator. It has proved to be advantageous if the edge segments allow a respective preset, but kept constant gas flow in the discharge space, while the middle segment can be optionally incorporated into a control loop. As a reference variable of the control loop can serve the discharge voltage.

Das Mischungsverhältnis von Sauerstoff und Stickstoff kann beispielsweise über eine Master-Slave-Verschaltung von jeweils zwei Gasflussreglern des Typs MKS realisiert werden. Dieses Prinzip kann optional sowohl für einen aktiv geregelten Einlass über das mittlere Segment als auch für die beiden Gasflüsse der Randsegmente angewandt. Damit kann in allen Fällen ein jeweils konstant eingestelltes Mischungsverhältnis von Sauerstoff und Stickstoff eingelassen werden. The mixing ratio of oxygen and nitrogen can be realized, for example, via a master-slave interconnection of two MKS type gas flow controllers. This principle can optionally be applied both for an actively regulated inlet over the middle segment and for the two gas flows of the edge segments. Thus, in each case, a respectively constant mixing ratio of oxygen and nitrogen can be admitted.

Die Zufuhr des Inertgases, beispielsweise Argon, erfolgt bevorzugt über einen durchgehenden Gaskanal mit gleichmäßig verteilten Öffnungen, welcher zwischen beiden Magnetrons angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht eine möglichst gleichmäßige Gasverteilung im Entladungsraum und begünstigt dadurch die Ausbildung einer möglichst homogenen Barriereschicht. The supply of the inert gas, for example argon, preferably takes place via a continuous gas channel with uniformly distributed openings, which is arranged between the two magnetrons. This arrangement allows the most uniform possible gas distribution in the discharge space and thereby favors the formation of a homogeneous as possible barrier layer.

Bevorzugt sind beide Gaskanäle mittig zwischen den Targets auf der substratabgewandten Seite der Targets angeordnet. Preferably, both gas channels are arranged centrally between the targets on the substrate side facing away from the targets.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante werden determinierte Parameter des Magnetronplasmas ermittelt und daraus mittelbar oder unmittelbar die zugeführte Gasmenge so eingestellt, dass das Schichtkonzentrationsverhältnis über die Länge des bewegten Substrats konstant bleibt. According to a further embodiment, determined parameters of the magnetron plasma are determined and from this, directly or indirectly, the supplied gas quantity is set such that the layer concentration ratio remains constant over the length of the moving substrate.

Derartige Parameter können beispielsweise bestimmte Spektrallinien oder die Partialdrücke der Gaskomponenten in der Sputteratmosphäre sein. Beispielsweise kann die Zusammensetzung der zugeführten Gasmenge unmittelbar mittels Plasmaemissionsspektroskopie bestimmt werden. Eine mittelbare Bestimmung der Zusammensetzung kann mittels der Partialdrücke erfolgen. Such parameters may be, for example, certain spectral lines or the partial pressures of the gas components in the sputtering atmosphere. For example, the composition of the supplied gas quantity can be determined directly by means of plasma emission spectroscopy. An indirect determination of the composition can be made by means of the partial pressures.

Der gewählte Parameter dient als Regelgröße für die Regelung der Gaszufuhr. Sofern die Abhängigkeit der Schichtzusammensetzung von der Zusammensetzung der Sputteratmosphäre bekannt ist, können die Parameter des Plasmas zur Einstellung des Schichtkonzentrationsverhältnisses genutzt werden. The selected parameter serves as a controlled variable for regulating the gas supply. If the dependence of the layer composition on the composition of the sputtering atmosphere is known, the parameters of the plasma can be used to adjust the layer concentration ratio.

Aufgrund der Prozessregelung kann auf Änderungen während des Sputterprozesses reagiert werden, so dass das Schichtkonzentrationsverhältnis über die Länge des bewegten Substrats konstant bleibt. Due to the process control, it is possible to react to changes during the sputtering process, so that the layer concentration ratio remains constant over the length of the moving substrate.

In einer Ausgestaltung kann mittels einer oder mehrerer charakteristischer Messgrößen des Magnetronplasmas die Leistung der Gasentladung so eingestellt werden, dass die Parameter des Magnetronplasmas, insbesondere die Gaszusammensetzung im Magnetronplasma, konstant bleiben. In one embodiment, the power of the gas discharge can be adjusted by means of one or more characteristic measured variables of the magnetron plasma so that the parameters of the magnetron plasma, in particular the gas composition in the magnetron plasma, remain constant.

Derartige charakteristische Messgrößen können beispielsweise die Partialdrücke der Gase, bestimmte Spektrallinien sowie die Spannung und Stromstärke am Target sein. Such characteristic measured variables can be, for example, the partial pressures of the gases, certain spectral lines as well as the voltage and current intensity at the target.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to two embodiments. The accompanying drawings show:

1 Stark vereinfachte Darstellung einer Sputteranlage zur Herstellung der erfindungsgemäßen Permeationsbarriereschicht quer zur Längserstreckung der Targets, 1 Highly simplified representation of a sputtering apparatus for producing the permeation barrier layer according to the invention transversely to the longitudinal extent of the targets,

2 Schematische Darstellung des Gaseinlasssystems zur Herstellung der erfindungsgemäßen Permeationsbarriereschicht in Längserstreckung vom Substrat aus betrachtet, 2 Schematic representation of the gas inlet system for producing the permeation barrier layer according to the invention viewed in the longitudinal direction from the substrate,

3 Abhängigkeit der Wasserdampfpermeation für verschiedene Siliziumoxynitridschichten, gesputtert von einem Dual- Rohrmagnetron, von der Schichtdicke, 3 Dependence of water vapor permeation on different silicon oxynitride layers, sputtered by a dual tube magnetron, on the layer thickness,

4 Abhängigkeit der Wasserdampfpermeation für verschiedene Aluminiumoxynitridschichten, gesputtert von einem Dual- Rohrmagnetron, von der Schichtdicke, 4 Dependence of water vapor permeation on different aluminum oxynitride layers, sputtered by a dual tube magnetron, on the layer thickness,

5 Abhängigkeit der Transmission von der Wellenlänge für eine erfindungsgemäße Siliziumoxinitridpermeationsbarriereschicht im Vergleich zu einer Siliziumnitridschicht, 5 Dependence of the transmission on the wavelength for a silicon oxynitride permeation barrier layer according to the invention in comparison with a silicon nitride layer,

6 Abhängigkeit der Wasserdampfpermeation von der Schichtdicke für eine erfindungsgemäße Aluminiumoxinitridschicht im Vergleich zu einer Aluminiumnitrid- und einer Aluminiumoxidschicht. 6 Dependence of the water vapor permeation on the layer thickness for an aluminum oxynitride layer according to the invention in comparison to an aluminum nitride and an aluminum oxide layer.

Gemäß einem ersten Beispiel enthält die Permeationsbarriereschicht eines mit dieser Permeationsbarriereschicht beschichteten Kunststoff-Substrats 2 die Elemente Silizium sowie Sauerstoff und Stickstoff. Das Schichtkonzentrationsverhältnis der Menge des Stickstoffs in der Schicht zu der Menge des Sauerstoffs in der Schicht ist mindestens als 1:4. According to a first example, the permeation barrier layer contains a plastic substrate coated with this permeation barrier layer 2 the elements silicon as well as oxygen and nitrogen. The layer concentration ratio of the amount of nitrogen in the layer to the amount of oxygen in the layer is at least 1: 4.

Gemäß einem zweiten Beispiel enthält die Permeationsbarriereschicht im Unterschied zum ersten Beispiel die Elemente Aluminium sowie Sauerstoff und Stickstoff. Das Schichtkonzentrationsverhältnis der Menge des Stickstoffs in der Schicht zu der Menge des Sauerstoffs in der Schicht ist mindestens 2:3. According to a second example, unlike the first example, the permeation barrier layer contains the elements aluminum as well as oxygen and nitrogen. The layer concentration ratio of the amount of nitrogen in the layer to the amount of oxygen in the layer is at least 2: 3.

Die Permeationsbarriereschichten beider Beispiele werden mit der im Folgenden beschriebenen Sputteranlage auf dem Kunststoff-Substrat 2 abgeschieden. The permeation barrier layers of both examples are coated with the sputtering system described below on the plastic substrate 2 deposited.

Bei der Sputteranlage 1 handelt es sich um eine Rolle-zu-Rolle Sputteranlage 1 mit zwei rotierenden Magnetrons mit jeweils einem Rohrtarget 6 und einem Magnetsystem 7, einer Einrichtung zur Gaszuführung 11 und einem Entladungsraum 12, in dem in einem Beschichtungsbereich 3 in dem Entladungsraum 12 eine Schichtabscheidung erfolgt. (1). Als Substrattransportvorrichtung 5 dienen die Rollen (Kühlwalzen) zum Auf- und Abspulen des Kunststoff-Substrats 2, die das Kunststoff-Substrat 2 in einer Transportrichtung 4 bewegen. At the sputtering plant 1 it is a roll-to-roll sputtering machine 1 with two rotating magnetrons, each with a tube target 6 and a magnet system 7 , a device for gas supply 11 and a discharge room 12 in which in a coating area 3 in the discharge room 12 a layer deposition takes place. ( 1 ). As a substrate transport device 5 serve the rollers (cooling rollers) for winding and unwinding of the plastic substrate 2 containing the plastic substrate 2 in a transport direction 4 move.

Die mittig zwischen den beiden Rohrmagnetrons 8 angeordnete Einrichtung zur Gaszuführung 11 umfasst zwei voneinander separierte Gaskanäle (2). Ein erster Gaskanal, der Inertgaskanal 9, dient der Zufuhr von Argon. Der Inertgaskanal 9 ist als durchgehender Gaskanal mit gleichmäßig verteilten Öffnungen zum Einlass des Inertgases in den Entladungsraum 12 ausgebildet. Im Beispiel wird ein Gasfluss von 200 sccm eingestellt, der entsprechend des lokal wirksamen Saugvermögens der Pumpen zu einem Argon Partialdruck von 0.4 Pa führt. The middle between the two tubular magnetrons 8th arranged device for gas supply 11 comprises two separate gas channels ( 2 ). A first gas channel, the inert gas channel 9 , is used to supply argon. The inert gas channel 9 is as a continuous gas channel with evenly distributed openings for the inlet of the inert gas in the discharge space 12 educated. In the example, a gas flow of 200 sccm is set, which leads to an argon partial pressure of 0.4 Pa according to the locally effective pumping speed of the pumps.

Ein zweiter Gaskanal, der Reaktivgaskanal 10, dient der Zufuhr von Stickstoff und Sauerstoff. Der Reaktivgaskanal 10 ist in drei Segmente, ein mittleres Segment 13 und zwei Randsegmente 14, unterteilt, die jeweils Öffnungen zu Einlass des Reaktivgases in den Entladungsraum 12 aufweisen. Die Randsegmente 14 dienen der Korrektur der im Verlauf des Sputterprozesses entstehenden Beschichtungsungleichmäßigkeit. Den Randsegmenten ist ein Gasflussregler zugeordnet, der einen jeweils voreingestellten, dann aber konstant gehaltenen Gasfluss in den Entladungsraum 12 zulässt. A second gas channel, the reactive gas channel 10 , is used to supply nitrogen and oxygen. The reactive gas channel 10 is in three segments, a middle segment 13 and two edge segments 14 , Subdivided, each openings to inlet of the reactive gas in the discharge space 12 exhibit. The edge segments 14 serve to correct the coating unevenness arising during the sputtering process. The edge segments are assigned a gas flow regulator, which has a respectively preset, but then held constant gas flow into the discharge space 12 allows.

Im Unterschied dazu ist das mittlere Segment 13 in eine Regelschleife eingebunden. Als Führungsgröße für den Regelkreis fungiert die Entladungsspannung, als Stellglied ein schneller Gasflussregler. In contrast, the middle segment 13 involved in a control loop. As a reference variable for the control loop, the discharge voltage acts as an actuator, a fast gas flow regulator.

Das Mischungsverhältnis von Sauerstoff und Stickstoff wird über eine Master-Slave-Verschaltung von jeweils zwei Gasflussreglern des Typs MKS realisiert. Dieses Prinzip wird sowohl für den aktiv geregelten Einlass über das mittlere Segment 13 als auch für die beiden Gasflüsse der Randsegmente 14 angewandt. Damit wird in allen Fällen ein jeweils konstant eingestelltes Mischungsverhältnis von Sauerstoff und Stickstoff eingelassen. Das Mischungsverhältnis wird dabei so gewählt, dass sich das gewünschte Schichtkonzentrationsverhältnis in der Permeationsbarriereschicht einstellt. The mixing ratio of oxygen and nitrogen is realized via a master-slave interconnection of two MKS-type gas flow controllers. This principle applies to both actively regulated intake over the middle segment 13 as well as for the two gas flows of the edge segments 14 applied. Thus, in each case a constantly set mixing ratio of oxygen and nitrogen is admitted. The mixing ratio is chosen so that the desired layer concentration ratio is established in the permeation barrier layer.

Die beiden Rohrmagnetrons 8 werden in einem bipolaren Modus betrieben, bei dem beide Magnetrons 8 alternierend als Anode oder Katode geschaltet werden. Es erfolgt eine bipolare Leistungseinspeisung. Die Polarität der Entladung wechselt mit einer Frequenz von 50 kHz. The two tubular magnetrons 8th are operated in a bipolar mode in which both magnetrons 8th alternately switched as anode or cathode. There is a bipolar power supply. The polarity of the discharge changes with a frequency of 50 kHz.

Als Kunststoff-Substrat 2 wurde eine Polyethylenterephthalat-Folie mit einer Dicke von 75 µm eingesetzt. As a plastic substrate 2 a polyethylene terephthalate film with a thickness of 75 microns was used.

Im ersten Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer siliziumhaltigen Permeationsbarriereschicht werden als Targets 6 Silizium-Targets mit einer Reinheit von > 99,5 % eingesetzt. In the first embodiment for producing a silicon-containing permeation barrier layer are used as targets 6 Silicon targets with a purity of> 99.5% used.

Die Abhängigkeit der Wasserdampfdurchlässigkeit von der Schichtdicke der Permeationsbarriereschicht für verschiedene Sauerstoff-zu-Stickstoff-Schichtkonzentrationsverhältnisse ist in 3 dargestellt. In 3 ist zu erkennen, dass erst für N:O-Verhältnisse von mindestens 1:4 akzeptable Wasserdampfdurchlässigkeiten erreicht werden. 5 zeigt die Abhängigkeit der Transmission von der Wellenlänge. The dependence of the water vapor permeability on the layer thickness of the permeation barrier layer for different oxygen-to-nitrogen layer concentration ratios is in 3 shown. In 3 It can be seen that only for N: O ratios of at least 1: 4 acceptable water vapor permeabilities are achieved. 5 shows the dependence of the transmission on the wavelength.

Im zweiten Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer aluminiumhaltigen Permeationsbarriereschicht werden als Targets 6 Aluminium-Targets mit einer Reinheit von > 99,5 % eingesetzt. In the second embodiment for producing an aluminum-containing permeation barrier layer are used as targets 6 Aluminum targets used with a purity of> 99.5%.

Die Abhängigkeit der Wasserdampfdurchlässigkeit von der Schichtdicke der Permeationsbarriereschicht für verschiedene Sauerstoff-zu-Stickstoff-Schichtkonzentrationsverhältnisse ist in 4 dargestellt. In 4 ist zu erkennen, dass erst für N:O-Verhältnisse von mindestens 2:3 akzeptable Wasserdampfdurchlässigkeiten erreicht werden. Die Verbesserung der Wasserdampfpermeation im Vergleich zu einer Aluminiumnitrid- und einer Aluminiumoxidschicht verdeutlicht 6.The dependence of the water vapor permeability on the layer thickness of the permeation barrier layer for different oxygen-to-nitrogen layer concentration ratios is in 4 shown. In 4 It can be seen that only for N: O ratios of at least 2: 3 acceptable water vapor permeabilities are achieved. The improvement of water vapor permeation compared to an aluminum nitride and an aluminum oxide layer illustrates 6 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Sputteranlage Sputter
2 2
Kunststoff-Substrat Plastic substrate
3 3
Beschichtungsbereich coating area
4 4
Transportrichtung transport direction
5 5
Substrattransportvorrichtung Substrate transport apparatus
6 6
Target target
7 7
Magnetsystem magnet system
8 8th
Rohrmagnetron tubular magnetron
9 9
Inertgaskanal inert-gas
10 10
Reaktivgaskanal Reactive gas channel
11 11
Einrichtung zur Gaszuführung Device for gas supply
12 12
Entladungsraum discharge space
13 13
mittleres Segment des Reaktivgaskanals middle segment of the reactive gas channel
14 14
Randsegment des ReaktivgaskanalsEdge segment of the reactive gas channel

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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  • K. Jopp, SCHOTT-Info, 99, 2001, 21 [0002] K. Jopp, SCHOTT-Info, 99, 2001, 21 [0002]
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Claims (13)

Mit einer Permeationsbarriereschicht beschichtetes Kunststoff-Substrat (2), wobei die Permeationsbarriereschicht die Elemente Silizium und/oder Aluminium sowie Sauerstoff und Stickstoff enthält, wobei das Schichtkonzentrationsverhältnis der Menge des Stickstoffs in der Schicht zu der Menge des Sauerstoffs in der Schicht mindestens 1:4 in einer Schicht ohne Aluminium, mindestens 1:4 in einer Schicht mit Silizium und Aluminium und mindestens 2:3 in einer Schicht ohne Silizium ist. Plastic substrate coated with a permeation barrier layer ( 2 ), wherein the permeation barrier layer contains the elements silicon and / or aluminum as well as oxygen and nitrogen, wherein the layer concentration ratio of the amount of nitrogen in the layer to the amount of oxygen in the layer at least 1: 4 in a layer without aluminum, at least 1: 4 in a layer of silicon and aluminum and at least 2: 3 in a layer without silicon. Beschichtetes Kunststoff-Substrat (2) nach Anspruch 1, wobei das Kunststoff-Substrat (2) aus Polyethylenterephthalat (PET) besteht. Coated plastic substrate ( 2 ) according to claim 1, wherein the plastic substrate ( 2 ) consists of polyethylene terephthalate (PET). Beschichtetes Kunststoff-Substrat (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kunststoff-Substrat (2) eine Kunststoff-Folie ist. Coated plastic substrate ( 2 ) according to claim 1 or 2, wherein the plastic substrate ( 2 ) is a plastic film. Organo-elektrisches Bauelement aufweisend ein beschichtetes Kunststoff-Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3. Organo-electric device comprising a coated plastic substrate ( 2 ) according to one of claims 1 to 3. Organo-elektrisches Bauelement nach Anspruch 4, wobei das organo-elektrische Bauelement eine organische Leuchtdiode und/oder eine organische Solarzelle aufweist.  Organo-electrical component according to claim 4, wherein the organo-electrical component comprises an organic light emitting diode and / or an organic solar cell. Verfahren zur Herstellung eines mit einer Permeationsbarriereschicht beschichteten Kunststoff-Substrats(2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, indem das Kunststoff-Substrat (2) in einer Transportrichtung in einem Beschichtungsbereich (3) innerhalb eines Entladungsraumes (12) einer Durchlauf-Sputteranlage (1) bewegt wird, in den Beschichtungsbereich ein Reaktivgas aufweisend Stickstoff und/oder Sauerstoff eingeleitet wird und die Permeationsbarriereschicht mittels Sputtern von zumindest einem Rohrmagnetron (8) mit einem Target (6) in dem Beschichtungsbereich (12) auf dem Kunststoff-Substrat (2) abgeschieden wird. Process for producing a plastic substrate coated with a permeation barrier layer ( 2 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the plastic substrate ( 2 ) in a transport direction in a coating area ( 3 ) within a discharge space ( 12 ) of a continuous sputtering system ( 1 ), in the coating area a reactive gas comprising nitrogen and / or oxygen is introduced and the permeation barrier layer by means of sputtering of at least one tubular magnetron ( 8th ) with a target ( 6 ) in the coating area ( 12 ) on the plastic substrate ( 2 ) is deposited. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Permeationsbarriereschicht mittels zweier Rohrmagnetrons (8) abgeschieden wird, wobei beide Rohrmagnetrons (8) in einem bipolaren Modus betrieben werden, bei dem beide Rohrmagnetrons (8) alternierend als Anode oder Katode geschaltet werden. Process according to claim 6, wherein the permeation barrier layer is formed by means of two tubular magnetrons ( 8th ), both tubular magnetrons ( 8th ) are operated in a bipolar mode in which both tube magnetrons ( 8th ) can be switched alternately as anode or cathode. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der bipolare Modus mittels einer bipolaren Leistungseinspeisung erreicht wird, wobei die Polarität der Leistungseinspeisung mit einer Frequenz in der Größenordnung zwischen 5 kHz und 250 kHz, vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und kleiner 100 kHz, weiter bevorzugt zwischen 40 und 60 kHz, wechselt.  The method of claim 7, wherein the bipolar mode is achieved by means of a bipolar power supply, wherein the polarity of the power supply with a frequency in the order of between 5 kHz and 250 kHz, preferably in the range between 10 and less than 100 kHz, more preferably between 40 and 60 kHz, changes. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Permeationsbarriereschicht in einem reaktiven Prozess mit einem Target (6) aus Silizium und/oder Aluminium abgeschieden wird, wobei ein stickstoffhaltiges und ein sauerstoffhaltiges Gas dem Entladungsraum (12) in einer das Schichtkonzentrationsverhältnis einstellenden Dosierung zugeführt werden. Method according to one of claims 6 to 8, wherein the permeation barrier layer in a reactive process with a target ( 6 ) is deposited from silicon and / or aluminum, wherein a nitrogen-containing and an oxygen-containing gas the discharge space ( 12 ) are fed in a dosage adjusting the coating concentration ratio. Verfahren nach Anspruch 9 zumindest in Kombination mit Anspruch 7, wobei die Zufuhr des stickstoffhaltigen und des sauerstoffhaltigen Gases gemeinsam über einen in zumindest drei Segmente (13, 14) unterteilten Gaskanal (10) erfolgt, welcher zwischen beiden Rohrmagnetrons (8) angeordnet ist. The method of claim 9 at least in combination with claim 7, wherein the supply of the nitrogen-containing and the oxygen-containing gas together via a into at least three segments ( 13 . 14 ) subdivided gas channel ( 10 ), which between the two tube magnetrons ( 8th ) is arranged. Verfahren nach Anspruch 9 zumindest in Kombination mit Anspruch 7 oder Anspruch 10, wobei die Zufuhr des Inertgases über einen durchgehenden Gaskanal (9) mit gleichmäßig verteilten Öffnungen erfolgt, welcher zwischen beiden Magnetrons (8) angeordnet ist. The method of claim 9 at least in combination with claim 7 or claim 10, wherein the supply of the inert gas via a continuous gas channel ( 9 ) with uniformly distributed openings, which between two magnetrons ( 8th ) is arranged. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei determinierte Parameter des Magnetronplasmas ermittelt werden, daraus mittelbar oder unmittelbar die zugeführte Gasmenge so eingestellt wird, dass das Schichtkonzentrationsverhältnis über die Länge des bewegten Kunststoff-Substrats (2) konstant bleibt. Method according to one of claims 6 to 11, wherein determined parameters of the magnetron plasma are determined, from which, indirectly or directly, the supplied gas quantity is adjusted so that the layer concentration ratio over the length of the moving plastic substrate ( 2 ) remains constant. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei mittels einer oder mehrerer charakteristischer Messgrößen des Magnetronplasmas die Leistung der Gasentladung so eingestellt wird, dass die Parameter des Magnetronplasmas konstant bleiben.  Method according to one of claims 6 to 12, wherein by means of one or more characteristic magnitudes of the magnetron plasma, the power of the gas discharge is adjusted so that the parameters of the magnetron plasma remain constant.
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Cited By (1)

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WO2022144315A1 (en) 2020-12-29 2022-07-07 Ralph Domnick Coating method and coating containing silicon

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