DE19752889C1 - Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver­ fahren zur Beschichtung von Oberflächen, wie sie bei­ spielsweise für Monitore, Sichtfenster, Flat Panel Displays und insbesondere bei Kathodenstrahlröhren zur Breitbandentspiegelung, Antistatikbeschichtung und/oder elektromagnetischen Abschirmung eingesetzt werden.

Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der US 5 223 765 A, ist es bekannt, transparente Elemen­ te, wie sie beispielsweise als Frontscheiben für Bildschirme verwendet werden, mit transparenten Schichten mit Antistatikwirkung und/oder mit Strah­ lungsabschirmwirkung im Hochfrequenz- und Mikrowel­ lenbereich zu versehen. Als ein besonders geeignetes Material ist hierfür eine Schicht aus Indium-Zinn- Oxid(ITO) bekannt, das transparent und elektrisch leitfähig ist. Die optische Transmission dieser Beläge kann durch Breitband-Antireflexionsschichten (Breitband-AR) erhöht werden, bei denen das ITO, das einen großen Brechungsindex aufweist, mit Schichten kombiniert wird, die einen kleineren Brechungsindex besitzen als das Substrat, auf das das gesamte Schichtsystem aufgebracht wird.

Werden diese Schichten bei niedrigen Substrattempera­ turen deponiert, so sind diese Schichtsysteme nur unzureichend abriebfest und besitzen eine nur mangel­ hafte Klimastabilität. Weiterhin sind ITO-Schichten, die bei niedrigen Temperaturen aufgebracht werden, nur gering elektrisch leitfähig, so daß sich keine hohe Strahlungsabschirmungswirkung erzielen läßt. Daher erfolgt die Schichtabscheidung nach dem Stand der Technik bei höheren Temperaturen oder diese Schichten werden nachträglich erhitzt. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der Druckschrift US 4 798 994 beschrieben.

Die zur Erzeugung ausreichend leitfähiger, abriebfe­ ster und klimastabiler ITO-Schichten nötige Tempera­ tur während der Abscheidung oder bei einem nachträg­ lichen Erhitzen schränkt die in Frage kommenden Sub­ stratmaterialien weiterhin ein, da bei vielen organi­ schen Substanzen eine Temperaturerhöhung weit über Raumtemperatur nicht möglich ist.

Die US 4,828,870 offenbart ein Verfahren zum Auftrag von dünnen Aluminiumfilmen auf die Oberfläche von Halbleitermaterialien, bei dem während der Beschich­ tung das Substrat mit Ionen einer Energie zwischen 100 eV und 1000 eV beschossen wird.

Die DE 41 28 547 offenbart eine Beschichtung von op­ tischen Materialien mit SiO-bzw. SiO₂-Schichten unter Beschuß mit Argonionen.

Die JP 03-10 066 A offenbart die Beschichtung von Substraten mit durchsichtigen leitenden Schichten aus Sn-dotiertem In₂O₃ unter gleichzeitigem Beschuß mit einer Mischung aus O₂- und Inertgasionen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten weiter­ zuentwickeln, so daß sich auch bei niedrigerer Be­ schichtungstemperatur abriebfeste klimastabile Schichten erzeugen lassen, die sich als breitbandige Antireflexionsschichten, Antistatikbeschichtungen und/oder Strahlungsabschirmungen eignen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Durch den Beschuß mit Argonionen mit einer Energie zwischen 60 und 90 eV während des Abscheidens der ITO-Schichten wird die elektrische Leitfähigkeit der ITO-Schicht erheblich erhöht, so daß diese ITO- Schichten eine hervorragende Strahlungsabschirmung ermöglichen. Insbesondere kann dieses erfin­ dungsgemäße Verfahren auch bei Raumtemperatur durchgeführt werden, so daß Substrate jeglicher Art, Gläser oder auch beliebige Kunststoffe sowie Be­ schichtungen beliebiger weiterer Materialien ermög­ licht werden. Insgesamt ergeben sich eine verbesserte Stabilität (Abriebfestigkeit und Klimastabilität etc.) sowie verbesserte elektrische Eigenschaften der ITO-Schichten.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Beschichtungen eignen sich zur Breitbandentspiege­ lung, zur Antistatikbeschichtung und/oder zur Ab­ schirmung elektromagnetischer Strahlung im Hochfre­ quenz- und Mikrowellenbereich.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen gege­ ben.

Besonders vorteilhaft weisen die Argonionen, mit de­ nen das Substrat während des Schichtauftrags beschos­ sen wird, eine Energie von 65 Elektronenvolt, auf, und die Stromdichte des Argonionenbeschusses beträgt vorteilhafterweise ca. 0,05 bis ca. 0,15 mA/cm², vor­ teilhafterweise 0,1 mA/cm².

Eine weitere Verbesserung der Haftfähigkeit und Sta­ bilität von Beschichtungen auf einem anorganischen Substrat kann erzielt werden, indem das Substrat vor der Beschichtung mit Argonionen beschossen wird, de­ ren Energie vorteilhafterweise ca. 150 Elektronenvolt beträgt und mit einer Stromdichte, die vorteilhafter­ weise ca. 0,1 mA/cm² beträgt. Eine besonders wirksame Vorbehandlung ergibt sich, wenn der Argonionenbeschuß des Substrates ca. 30 s dauert.

Auf organischen Substraten wie beispielsweise Polyme­ thylmethacrylat kann die Haftfähigkeit und damit auch die Stabilität der Beschichtungen verbessert werden, indem das Substrat vor der Beschichtung mit einer Plasmabehandlung im Vakuum unter Zufuhr von reaktivem Sauerstoff und wasserenthaltendem Gas vorbehandelt wird. Dabei sollte vorzugsweise ein äquivalenter An­ teil von Wasser entsprechend einer relativen Luft­ feuchtigkeit von mindestens 40% eingehalten werden. Hierdurch wird das Substratmaterial an der Oberfläche abgetragen und parallel dazu eine chemische Reaktion eingeleitet, bei der die Oberfläche des Substrates unter Ausbildung einer Polymerschicht verändert wird. Die an der Oberfläche des Substrates ausgebildete Polymerschicht unterscheidet sich in ihrer chemischen Zusammensetzung und demzufolge auch mit ihren Eigen­ schaften deutlich vom unbehandelten Substratmaterial. Dieses oberflächliche Polymermaterial weist einen be­ sonders hohen Anteil von Methylen- und Hydroxylgrup­ pen auf.

Im Falle von Polymethylmethacrylat als Substrat sind bei der Modifizierung die charakteristischen C-O und C=O-Gruppierungen abgebaut worden.

Besonders geeignete Indium-Zinn-Oxidschichten beste­ hen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus 90 AT % In₂O₃ und 10 AT % SnO₂. Durch das abwechselnde Ab­ scheiden von Indium-Zinn-Oxidschichten und Schichten aus Siliziumdioxid kann eine sehr gute Breitbandent­ spiegelung und zusätzlich eine Antistatikwirkung und/oder Hochfrequenz-Abschirmwirkung für elektroma­ gnetische Strahlen erzielt werden. Dabei bestimmt die Dicke weiterer ITO-Schichten, ob bei dünnerer Schichtdicke nur eine Antistatikwirkung oder bei stärkerer Schichtdicke auch eine Hochfrequenzab­ schirmwirkung der Gesamtbeschichtung erzielt wird.

Auch während der Abscheidung von Siliziumdioxid­ schichten kann das Substrat weiterhin mit Argonionen, vorzugsweise mit einer Energie von 150 Elektronen­ volt, beschossen werden, was zu einer Stabilisierung auch der SiO₂-Schicht führt.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren an­ hand eines Beispieles beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine Monitorscheibe einer Kathoden­ strahlröhre.

In Fig. 1 ist der Aufbau einer mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren hergestellten Monitorscheibe einer Kathodenstrahlröhre dargestellt. Die Monitorscheibe besteht aus einem Substrat 1, auf das beidseitig je eine Antireflexschicht 2 bzw. 3 aufgetragen sind. Die Antireflexschicht 2 ist dabei auf ihre Abschirmwir­ kung für hochfrequente elektromagnetische Strahlung hin optimiert, während die Antireflexschicht 3 zu­ sätzlich als Antistatikbelag fungiert. Der Aufbau der Antireflexschicht 2 besteht aus einer zum Substrat 1 hin orientierten ITO-Schicht 2d mit einer Dicke von 18 nm, auf die eine SiO₂-Schicht von 26 nm Dicke (2c) aufgebracht ist. An diese Siliziumdioxidschicht 2c schließt sich wiederum eine ITO-Schicht 2b mit einer Dicke von 250 nm an. Abschließend ist auf die gesamte Beschichtung eine 85 nm dicke SiO₂-Schicht 2a aufge­ bracht.

Der Aufbau der Antireflexschicht 3 besteht von dem Substrat 1 her nach außen aus einer 15 nm dicken ITO- Schicht 3d, einer 33 nm dicken SiO₂-Schicht 3c, einer 130 nm dicken ITO-Schicht 3b sowie abschließend einer 85 nm dicken SiO₂-Schicht 3a.

Die Antireflexschicht 2 wirkt aufgrund der großen Dicke der zweiten ITO-Schicht 2b von 250 nm stark ab­ schirmend auf elektromagnetische Hochfrequenzstrah­ lung, während bei der Antireflexschicht 3 die zweite ITO-Schicht 3b mit einer Dicke von 130 nm zu einer hohen Antistatikwirkung der Beschichtung 3 führt.

Die in Fig. 1 dargestellte Monitorscheibe wurde wie im folgenden dargestellt erzeugt.

Die als Substrat 1 zu betrachtende noch unbeschich­ tete Monitorscheibe wurde in einer Beschichtungsanla­ ge mit einer Plasmaionenquelle vor der eigentlichen Schichtabscheidung 30 s lang mit Argonionen einer Energie von ca. 150 Elektronenvolt und einer Strom­ dichte von ca. 0,1 mA/cm² beschossen.

Für die Herstellung der Schichtsysteme zur Breitband­ entspiegelung mit zusätzlicher Antistatikwirkung (An­ tireflexionsschicht 3) oder HF-Abschirmungswirkung (Antireflexionsschicht 2) wird jeweils eine Schicht aus ITO mit der Zusammensetzung 90 AT % In₂O₃ und 10 AT % SnO₂ auf dem Substrat abgeschieden, wobei während der Abscheidung die wachsende Schicht mit Argonionen einer Energie von 65 Elektronenvolt und einer Stromdichte von ca. 0,1 mA/cm² beschossen wur­ de. Jede dieser ITO-Schichten (2d, 3d) wird danach mit SiO₂ beschichtet (2c, 3c), wobei hierbei die Energie der Argonionen auf 150 Elektronenvolt erhöht wurde. Auf diese SiO₂-Schichten 2c, 3c wurde eine zweite dickere ITO-Schicht aufgetragen. Die Abschei­ dungsbedingungen entsprachen dabei denjenigen der ersten ITO-Schicht. Auf diese ITO-Schichten (2b, 3b) wurde jeweils eine zweite SiO₂-Schicht (2a, 3a) mit einer Dicke von 85 nm abgeschieden, wobei die Her­ stellungsbedingungen denen der Erzeugung der ersten SiO₂-Schicht 2c, 3c gleich waren.

In einem weiteren Beispiel wird als Substrat Polyme­ thylmethacrylat in derselben Weise und mit derselben Schichtabfolge wie im vorigen Beispiel beschichtet. Vor der Beschichtung mit den ITO-Schichten und SiO₂- Schichten wird jedoch das Polymethylmethacrylat ab­ weichend vom vorigen Beispiel dadurch vorbehandelt, indem das Polymethylmethacrylat vor der Beschichtung mit einer Plasmabehandlung im Vakuum unter Zufuhr von reaktivem Sauerstoff und wasserenthaltendem Gas vor­ behandelt wird, wobei als Gas Luft mit einer relati­ ven Feuchtigkeit von 40% verwendet wird. Hierdurch ergibt sich eine Modifikation der Oberfläche des Po­ lymethylmethacrylats, die zu einer verbesserten Haf­ tung und Stabilität der auf diesem anschließend abge­ schiedenen Schichten führt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen zur Breitbandentspiegelung, Antistatikbeschichtung und/oder elektromagnetischen Abschirmung mit mindestens einer Indium-Zinn-Oxid-Schicht auf einem Substrat, wobei während der Beschichtung mit mindestens einer der Indium-Zinn-Oxid- Schichten das Substrat mit Edelgasionen beschos­ sen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit Argonionen als Edelgasionen mit einer Energie von 60 bis 90 eV beschossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte der Argonionen 0,05 bis 0,15 mA/cm² beträgt.

3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Argonionen eine Energie von ca. 65 eV aufweisen und die Strom­ dichte ca. 0,1 mA/cm² beträgt.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein anorganisches Substrat verwendet wird und das Substrat vor der Beschichtung mit Argonionen, vorzugsweise mit ca. 30 Sekunden Dauer, einer Energie der Argo­ nionen von ca. 150 eV und einer Stromdichte von ca. 0,1 mA/cm², beschossen wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein organisches Substrat, vorzugsweise Polymethyl­ metacrylat, verwendet wird und das Substrat vor der Beschichtung mit einer Plasmabehandlung im Vakuum unter Zufuhr von reaktivem Sauerstoff und Wasser enthaltendem Gas, vorzugsweise mit einem äquivalenten Anteil Wasser einer relativen Feuchtigkeit von mindestens 40% in Luft, vor­ behandelt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Indium-Zinn- Oxid-Schicht eine Schicht aus 90 at% In₂2O₃ und 10 at% SnO₂ abgeschieden wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd Schich­ ten aus Indium-Zinn-Oxid und SiO₂ abgeschieden werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abschei­ dung der SiO₂-Schicht das Substrat mit Argonio­ nen, vorzugsweise mit einer Energie von 150 eV beschossen wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit einer ersten Indium-Zinnoxid-Schicht, einer SiO₂-Schicht und einer zweiten Indium-Zinnoxid- Schicht abgeschieden wird, wobei eine dünnere oder dickere zweite Indium-Zinnoxid-Schicht ab­ geschieden wird, je nachdem, ob eine Antistatik­ wirkung oder zusätzlich eine Hochfrequenz-Ab­ schirmung erzielt werden soll.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zweite Indi­ um-Zinnoxid-Schicht eine zweite SiO₂-Schicht, vorzugsweise mit einer Schichtdicke von ca. 85 nm, abgeschieden wird.