DE1521157B2 - Verfahren zur erhoehung der festigkeit der bindung zwischen duennen schichten - Google Patents
Verfahren zur erhoehung der festigkeit der bindung zwischen duennen schichtenInfo
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Description
Die Adhäsion dünner Schichten, die in unterschiedlichen Atmosphären bei Unterdruck durch
Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung auf Unterlagen aufgebracht werden, untereinander stellt
ein für die praktische Dünne-Schichten-Technik bedeutsames Problem dar. Die bisher bekanntgewordenen
Experimente und Untersuchungen über die Adhäsion dünner Schichten bezogen sich vorwiegend
auf das Haften derselben auf glasähnlichen Substraten. Es ist bekannt, daß bestimmte hochschmelzende
Metalle, wie Chrom, wenn sie im Vakuum auf gereinigte Glasoberflächen aufgedampft oder durch
Kathodenzerstäubung aufgebracht werden, sehr fest haften, wogegen andere Metalle, wie Gold, Silber
oder Kupfer ein unzureichendes Haftvermögen besitzen. Ferner ist bekannt, daß von den nichtmetalllischen
Aufdampfsubstanzen vor allem manche Oxide auf Glasflächen gut haften, und es wurden vielfach
schon oxidische Zwischenschichten als sogenannte Haftschichten zwischen Unterlage und Metallschichten
vorgeschlagen und verwendet. Solche Zwischenschichten haben aber nur dann einen Zweck, wenn
die Metallschicht auf der oxidischen Schicht besser haftet als auf der bloßen Unterlage, was in speziellen
Fällen zutrifft.
Nach heutiger Anschauung beruht die Bindung zwischen Unterlage und Schicht bzw. zwischen
ίο Schichten meistens auf den sogenannten van der
Waalschen Kräften, und die Bindungsenergie liegt demgemäß theoretisch in der Größenordnung von
einigen Kilokalorien pro Mol; die praktisch erzielbaren Werte liegen jedoch wesentlich darunter. Im
Vergleich zur Bindungsenergie der Kohäsion, d. h. der Bindung von untereinander gleichen Atomen
bzw. Molekülen im Festkörperverband, erscheint die Adhäsionsenergie nahezu vernachlässigbar gering,
was die mangelhafte Adhäsion dünner Schichten an anderen Schichten und auf den Unterlagen erklärt.
Es ist bekannt, beim Aufdampfen von elektrisch leitenden lichtdurchlässigen Schichten, z. B. heizbaren
Schichten für Fahrzeugfenster, wobei die Schichten aus einem Gemisch eines Metalls und'
eines Nichtmetalls bestehen können, das Entstehen einer .optisch störenden (weil spiegelnden) ..Grenzfläche
zwischen .,Glas und Schicht dadurch zu vermeiden, daß der Anteil des Metalls" während des
Aufdampfens vorzugsweise von 0% an der einen Grenzfläche des Überzugs bis auf 100 %>
an der anderen Grenzfläche verändert wird. Es entsteht dabei eine Schicht mit einem Konzentrationsgradienten
des Metalls senkrecht 2uij--Schicht'ebene. Dieses Verfahren
erfordert aber eine komplizierte Auf dampf technik unter Verwendung von Verdampfern, welche
es ermöglichen, während des Aufdampfvorganges die Verdampfungsrate jeder der beiden Komponenten in
genau vorgeschriebener Weise zu verändern. Dabei ist es bekanntlich schon schwierig, Gemische mit
gleichbleibendem Mischungsverhältnis reproduzierbar aufzudampfen, erst recht gilt dies für Gemische mit
veränderlichem Mischungsverhältnis.
Nach der Erfindung sollen, wie im nachfolgenden gezeigt wird, ebenfalls Schichten mit einem veränderliehen
Mischungsverhältnis von Metall- und Nicht metallatomen hergestellt werden. Die Erfindung hat
sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu finden, mit dem dieses Ziel auf einfachere Weise erreicht
wird. Vor allem aber strebt die Erfindung eine Er-
höhung der Festigkeit der Bindung zwischen dünnen Schichten an, die in unterschiedlichen Atmosphären
bei Unterdruck durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung auf Unterlagen aufgebracht werden.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von der während
der Aufbringung einer ersten Schicht im Aufbringungsraum aufrechterhaltenen Atmosphäre zu der für
die Aufbringung der darauffolgenden Schicht einzustellenden Atmosphäre während der Aufbringung
fio einer der beiden Schichten verlaufend durchgeführt
wird.
Man erhält auf diese Weise einen allmählichen Übergang zwischen den beiden Schichten. Auch wenn
dieser Übergang (im Vergleich zur Gesamtdicke der Schichten) innerhalb einer verhältnismäßig dünner
Zone stattfindet, ergibt sich eine wesentliche Erhöhung der Festigkeit der Bindung zwischen den
Schichten. Das neue Verfahren besitzt gegenüber
dem obenerwähnten Verfahren des Verdampfens von Mischungen mit während des Verdampfens zu veränderndem
Mischungsverhältnis den Vorteil, daß mit einer festen Verdampfungsrate gearbeitet werden
kann und trotzdem der chemische Zustand des bei der reaktiven Aufdampfung wenigstens einer Schichtkomponente
sich ergebenden Kondensates durch Wahl des Druckes der reaktiven Atmosphäre bequem
auf ein gewünschtes Verhältnis Metall/Nichtmetall eingestellt werden kann.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß man mit diesem Verfahren die Bindung oft auch zwischen
Schichten aus solchen Substanzen wesentlich erhöhen kann, die keine befriedigende Adhäsion zeigen, wenn
sie als diskrete Einzelschichten aneinandergrenzen.
Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens werden nachfolgend einige Ausführungsbeispiele näher beschrieben:
■
Es bestehe die Aufgabe, auf eine Glasplatte als Träger eine mehrere μ starke Metallschicht haftfest
aufzubringen, so daß darauf gelötet werden kann. Zu diesem Zweck bringt man, wie an sich bekannt, zuerst
eine dünne Oxidschicht auf den Träger auf, indem man in bekannter Weise z. B. Chrom in Sauer-Stoffatmosphäre
bei einem Druck von etwa 10~4 Torr verdampft, wobei sich auf der Unterlage Chromoxid
niederschlägt. Anstatt nun, wie es dem bekannten Stand der Technik entspräche, nach dem Aufbringen
einer solchen oxidischen Haftschicht unmittelbar die gewünschte Metallschicht, z. B. Kupfer, aufzudampfen,
wird erfindungsgemäß folgendermaßen verfahren: Während des Verdampfens des Chroms in der Sauerstoffatmosphäre
wird nach Aufbringung einer ersten, sehr dünnen; optisch kaum wahrnehmbaren, voll
durchoxydierten Chromoxidschicht der Partialdruck des Sauerstoffes in der Auf dampf kammer allmählich
verringert, wobei sich zunächst ungesättigtes Chromoxid und bei weiterer Herabsetzung des Sauerstoffdruckes
eine Mischphase aus Metall und Oxid niederschlägt. Es ergibt sich ein Gradient des Mischungs-Verhältnisses
Metall : Oxid senkrecht zur Schichtoberfläche, bis schließlich — nach Abstellung der
Sauerstoffzufuhr — eine praktisch rein metallische Phase auf der darunter befindlichen Mischphase aufwächst,
auf welche dann weiteres Metall, z. B. Kupfer zu Lötzwecken bis zur gewünschten Dicke von
mehreren μ niedergeschlagen werden kann. Es wird empfohlen, die Übergangszone Oxid—Metall wenigstens
i00 Angström dick zu machen, besser 1000 A oder mehr. Für die Herstellung mehrere μ dicker
Metallschichten wird empfohlen, die Übergangszone wenigstens 10% der Metallschichtdicke zu wählen.
Die gerade beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in der Übergangszone
die verschiedenen Oxidationsstufen (allgemein Verbindungsstufen) eines Metalls durchlaufen
werden, hat den Vorteil, daß die Bindefestigkeit solcher Übergangszonen gegenüber Übergangszonen,
in welchen lediglich ein Gemisch von zwei Komponenten z. B. eines Metalls und eines bestimmten
Oxides in veränderlichem Verhältnis aufgebracht werden, oft wesentlich erhöht ist.
Besonders einfach gestaltet sich das erfindungsgemäße
Verfahren, wenn das Oxid des gleichen Metalls zur Anwendung kommt, welches die nachfolgende
Metallschicht bilden soll. Man kann also, um einen festhaftenden Chromspiegel herzustellen,
Chrom in O., unter allmählicher Reduktion des O2-Parialdruckes aufdampfen, bis reines Chrom
niedergeschlagen wird. Ebenso kann man eine Kupferschicht unter Benutzung von Kupferoxid als HaftSchichtsubstanz
mit einem in Richtung senkrecht zur Schichtebene zunehmenden Gradienten des V.erhältnisses
Metall: Sauerstoff erhalten und entsprechend eine Schicht aus jedem anderen oxydierbaren
Metall.
Es ist bekannt, daß Schichten manchmal besser haften, wenn die Unterlage während des Aufbringens
oder nachträglich erhitzt wird. Diese zusätzliche Maßnahme kann bei der Erfindung ebenfalls in AnWendung
kommen, erübrigt sich aber meistens, was den Vorteil hat, daß auch empfindliche Schichtträger
wie z. B. Linsen oder Kunststoffe, die nicht erhitzt werden dürfen, haftfest beschichtet werden können.
Aber auch bei solchen Unterlagen, die erhitzt werden dürfen, kann das dank der Erfindung mögliche
Aufbringen bei niedrigerer Temperatur von Vorteil sein, weil der Akkomodationskoeffizient bei niedrigerer
Temperatur höher ist und damit die zur Erreichung einer Schicht bestimmter Dicke erforderliehe
Aufdampfzeit geringer wird.
Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des erfindungs-'
gemäßen Verfahrens sei darauf hingewiesen, daß Metallschicfiten mit einer Stärke von 10 μ und mehr
aufgedampft werden "können, welche auch Hartlötungen bei 400 bis 500° C erlauben, was nach dem
bisherigen Stand der Technik unmöglich war, weil die aufgedampften Schichten lange vor Erreichung
der erwähnten Dicken abblätterten oder später beim Löten absprangen. Selbst wenp eine Schicht geringerer
Dicke beim Löten gerade noch hielt, war häufig die Haftfestigkeit so stark herabgesetzt, daß eine
solche Lötstelle keiner Belastung ausgesetzt werden durfte, wogegen Abreißfestigkeiten von mehr als
200 kg pro cm2 nach der Erfindung ohne weiteres erreicht werden können. Es hat sich gezeigt, daß
man mit Drähten, die erfindungsgemäß auf Glasplatten von 1 mm Dicke aufgebrachten Kupferschichten
angelötet worden waren, mit einem raschen Ruck eher ein Loch aus der Glasplatte herausreißen kann,
als daß der Draht von der Metallschicht oder diese von der Glasunterlage abreißt.
Die Bedeutung der Erfindung erschöpft sich nicht in ihrer Anwendung auf lötfähige Schichten, sondern
liegt auch für zahlreiche andere Anwendungen auf der Hand. Erwähnt seien haftfeste Metallisierungen
auf Kunststoffen aller Art, optische Spiegel und Korrosionsschutzüberzüge. Auch die Festigkeit der
Bindung nichtmetallischer Schichten untereinander kann erfindungsgemäß verbessert werden. Hierfür
möge folgendes Beispiel dienen:
Es ist bekannt, Titanoxidschichten durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung von Titanmetall
in Sauerstoff, Titannitridschichten durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung in Stickstoff herzustellen.
Um aufeinanderfolgende Schichten von Titanoxid mit Titannitrid mit starker gegenseitiger Bindung zu
erhalten, führt man den Wechsel der Aufdampfatmosphäre — Sauerstoff im ersten, Stickstoff im
zweiten Falle — nicht abrupt, sondern allmählich durch, indem man der zuerst verwendeten O2-Atmosphäre
nach Herstellung der Titanoxidschicht in gewünschter Dicke zunächst wenig und dann immer
mehr N2 zumischt, während das metallische Grundelement'weiter
aufgedampft wird. Schließlich erfolgt dann die Aufdampfung in reiner N2-Atmosphäre,
5 6
nachdem die Sauerstoffzufuhr ganz abgestellt und Unter Atmosphäre im Sinne dieser Beschreibung
das vorhandene Oo-No-Gemisch laufend abgepumpt ist auch der Fall eingeschlossen, daß das Aufbringen
wurde. Dieser Übergang ist so langsam vorzunehmen, einer Schicht in einem Vakuum geschieht, das durch
daß eine Übergangszone der gewünschten Dicke ent- Auspumpen eines zuvor mit Luft gefüllt gewesenen
steht, wie oben beschrieben. 5 Rezipienten erhalten wurde. . .
Claims (6)
1. Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit der Bindung zwischen dünnen Schichten, die in unterschiedlichen
Atmosphären bei Unterdruck durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung aufgebracht
werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von der während der
Aufbringung einer ersten Schicht im Aufbringungsraum aufrechterhaltenen Atmosphäre zu der
für die Aufbringung der darauffolgenden Schicht einzustellenden Atmosphäre während der Aufbringung
einer der beiden Schichten verlaufend durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Schicht eine Oxidschicht
in Sauerstoffatmosphäre und darauffolgend unter allmählicher Verringerung des Sauerstoffpartialdruckes
im Aufdampfraum ein Metall auf die Unterlage aufgedampft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe Metall aufgedampft
wird, welches im Oxid der ersten Schicht gebunden enthalten ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Schicht eine Kupferoxidschicht
in einer Sauerstoffatmosphäfe und darauffolgend unter allmählicher Verringerung
des Sauerstoffpartialdruckes Kupfer aufgedampft wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Schicht eine AIuminjumoxidschicht
in einer Sauerstoffatmosphäre und" darauffolgend unter allmählicher Verringerung
des Sauerstoffpartialdruckes Aluminium aufgedampft wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von der einen
Atmosphäre zur anderen so langsam durchgeführt wird, daß eine Übergangszone in der aufwachsenden
Schicht von wenigstens 100 A Dicke zustande kommt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1965B0083815 DE1521157C3 (de) | 1965-09-21 | 1965-09-21 | Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit der Bindung zwischen dünnen Schichten |
Applications Claiming Priority (1)
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DE1965B0083815 DE1521157C3 (de) | 1965-09-21 | 1965-09-21 | Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit der Bindung zwischen dünnen Schichten |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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ID=6982148
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DE1965B0083815 Expired DE1521157C3 (de) | 1965-09-21 | 1965-09-21 | Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit der Bindung zwischen dünnen Schichten |
Country Status (1)
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DE (1) | DE1521157C3 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE19845268C1 (de) * | 1998-10-01 | 2000-01-05 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zum Bedampfen bandförmiger Substrate mit einer transparenten Barriereschicht aus Aluminiumoxid |
Families Citing this family (2)
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---|---|---|---|---|
GB8302165D0 (en) * | 1983-01-26 | 1983-03-02 | Spafax Holdings Plc | Producing optical component |
DK619887A (da) * | 1986-12-01 | 1988-06-02 | Torgau Flachglas | Haardtstofkompositlag paa silikatiske substrater og fremgangsmaade til deres fremstilling |
-
1965
- 1965-09-21 DE DE1965B0083815 patent/DE1521157C3/de not_active Expired
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE19845268C1 (de) * | 1998-10-01 | 2000-01-05 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zum Bedampfen bandförmiger Substrate mit einer transparenten Barriereschicht aus Aluminiumoxid |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE1521157A1 (de) | 1969-07-24 |
DE1521157C3 (de) | 1978-12-21 |
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