DE4136986A1 - Verfahren zur haftfesten beschichtung von substraten aus polymethylmetacrylat (pmma) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur haftfe­ sten Beschichtung eines Substrates, das aus Polymethylmet­ acrylat (PMMA) besteht, mittels einer an sich bekannten Sputtervorrichtung, mit einer Anode, die im wesentlichen durch das Rezipientengehäuse gebildet wird, einer Kathode, bestehend aus dem auf das Substrat abzuscheidenden Materi­ als, einer Substrathalterung, die in unmittelbarer Nähe zur Kathode angebracht ist, Gasein- und Gasauslaßöffnun­ gen, durch die der Sputtergasfluß regelbar ist sowie mit einer plasmaunterstützten Partikeldeposition auf das Sub­ strat.

Bei der Herstellung herkömmlicher optischer Datenträger, wie z. B. CD- oder Videodisks, wird die Oberfläche des scheibenförmigen Datenträgers, auf der die Information in Form einer speziellen Oberflächentextur eingeprägt ist, mit einer optisch reflektierenden Metallschicht überzogen. Die i.d.R. aus silbrigem Metall bestehende Schicht, wird in konventioneller Weise mit bekannten Aufdampftechniken, die u. a. ein abgeschlossenes, evakuiertes Arbeitsvolumen erfordern, erzeugt und basieren auf der thermischen Ver­ dampfung von Metallgranulaten.

Beschichtungsverfahren der vorgenannten Art machen es jedoch erforderlich, nach jedem Aufdampfprozeß, der jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Substraten erfaßt, den Be­ dampfungsraum zu leeren und anschließend mit einer näch­ sten Palette mit Substraten erneut zu befüllen. Das Auswech­ seln bedampfter Substrate gegen unbedampfte Substrate führt verfahrenstechnisch jedoch zu einem alternierenden Auslasten der Anlage, was allein schon dadurch bedingt ist, daß das für den Aufdampfprozeß erforderliche Vakuum ständig ab- und wieder aufgebaut werden muß.

Dieses im Batch-Betrieb, d. h. im diskontinuierlichen Be­ trieb, laufende Verfahren ist jedoch für die Massenproduk­ tion derartiger Disketten unter wirtschaftlichen Gesicht­ spunkten als sehr unökonomisch einzustufen.

Die Herstellung dünner Schichten auf beliebigen Substrat­ en ist in an sich bekannter Weise auch mittels der Sputtertechnik möglich, die den Vorteil bietet, den Be­ schichtungsprozeß schnell ein- und wieder auszuschalten. Die Unterbrechung des Sputterprozesses wird zum Substrat­ wechsel herangezogen, wodurch ein quasikontinuierlicher Betrieb aufrechterhalten werden kann. Durch Verwendung von Schleusenkammern, die nur wenig größer dimensioniert sind als das zu beschichtende Substrat, kann das nötige Vakuum in verhältnismäßig kurzen Zeiten erreicht werden. Dadurch wird verhindert, daß die ganze Beschichtungsanlage belüf­ tet und wieder evakuiert werden muß. Die thermische Träg­ heit des Verdampfungsprozesses einer konventionellen Aufdampfanlage verhindert einen Substratwechsel dadurch, daß in der Substratwechselzeit wichtige Teile der Anla­ genmechanik ungeschützt sind gegen Beschichtung, was einen störungsfreien Betrieb der Anlage auf lange Zeit unmöglich macht oder häufige umständliche Reinigungsprozeduren erfordert.

Die Beschichtung mit der Sputtertechnik, die sich allein auf Auswirkungen elektrischer Felder auf Gase und Materie beschränkt und somit keine zeitintensiven Produktionsbe­ dingungen voraussetzt, ist daher insbesondere für die Herstellung von Produkten in großer Stückzahl besser als das konventionelle Aufdampfverfahren geeignet.

Die Verwendung von Polymethylmetacrylat (PMMA) als Grund­ substrat für derartige flächenhafte Datenträger wirft jedoch für die Beschichtung mit Kathoden-Zer­ stäubungsanlagen das Problem auf, daß Schichten, die aus Aluminium oder vergleichbaren metallischen Substanzen bestehen, nur eine mangelnde Verbindung mit dem Grund­ substrat eingehen. Dies führt letztlich zu leicht ablösba­ ren Schichten.

In der US-Patentschrift US 49 57 603 wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem dennoch haftfeste Metallschichten auf PMMA-Substraten zu realisieren sind. Hierbei wird mittels Sputtertechnik das Substrat in einem ersten Verfahrens­ schritt einer kohlenstoffhaltigen Sputter-Atmosphäre aus­ gesetzt, in der Oberflächenreaktionen auf dem Substrat erfolgen, die sowohl durch die Einwirkung von UV-Strah­ lung, die durch das beim Sputterprozeß auftretende Gasplasma entstehen, als auch durch chemische Reaktionen auf der Substratoberfläche bestimmt sind. Obgleich man den genauen Reaktionsvorgang an der Substratoberfläche nicht genau kennt, wird die zur Beschichtung exponierte Oberflä­ che in einer Art modifiziert, so daß die Metallschicht, die in einem zweiten Verfahrensschritt, dem eigentlichen Sputterprozeß, auf das Substrat aufgesputtert wird, eine haftfeste und innige Verbindung mit dem Grundsubstrat eingehen kann.

Da es sich hierbei um eine Verfahrenstechnik handelt, mit der Massenprodukte hergestellt werden, ist jedoch jeder einzelne Verfahrensschritt, dessen Zeitdauer letztendlich die Leistungskapazität der gesamten Anlage wesentlich mitbestimmt, eine kostenrelevante Größe, die entscheidenden Einfluß auf die Herstellungskosten und damit auf die Konkurrenzfähigkeit ausübt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beschich­ tungsverfahren zur Herstellung von metallischen Schicht­ überzügen auf Substraten, die aus Polymethylmetacrylat (PMMA) bestehen, anzugeben, das zu einer innigen, haftfes­ ten Verbindung zwischen Substrat und Metallschicht führt und mittels Sputtertechnik nur einen einzigen Verfahrens­ schritt zur Schichtherstellung benötigt. Darüber hinaus soll das erfindungsgemäße Verfahren den wirtschaftlichen Anfor­ derungen der Massenproduktion insofern entsprechen, daß das Herstellverfahren einen quasi kontinuierlichen Materi­ alfluß, d. h. kein Batch-Betrieb, ermöglicht.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An­ spruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur haftfesten Be­ schichtung eines Substrates, das aus Polymethylmetacrylat (PMMA) besteht, mittels einer an sich bekannten Sputtervorrichtung, mit einer Anode, die im wesentlichen durch das Rezipientengehäuse gebildet wird, einer Kathode, bestehend aus dem auf das Substrat abzuscheidenden Materi­ als, einer Substrathalterung, die in unmittelbarer Nähe zur Kathode angebracht ist, und Gasein- und Gasauslaßöffnungen, durch die der Sputtergasfluß regelbar ist, sowie mit einer plasmaunterstützen Partikeldeposition auf das Substrat, vorgestellt, bei dem das Sputtergas mit einem kohlenwas­ serstoffhaltigen Zusatzgas versetzt ist, das die Oberflä­ che des Substrats während des Sputtervorgangs derart be­ einflußt, daß das abgesputterte Kathodenmaterial eine innige Verbindung mit dem Substrat (PMMA) eingeht.

Kathodenzerstäubungsanlagen bestehen vornehmlich aus einer Prozeßkammer, auch Rezipient genannt, in der eine Kathode, die das Target darstellt, eine Anode und ein Substrathalter angebracht ist, der i.d.R. in geringem Abstand zur Kathode beabstandet ist. In die Prozeßkammer, deren Größe sich nach den Ausmaßen der zu beschichtenden Substrate richtet, wird über Gaseinlaßleitungen eine Edelgasatmosphäre, vorzugsweise aus Argon-Gas, geschaffen, so daß sich zwischen den Elektroden, an denen eine Hoch­ spannung anliegt, ein Plasma entzünden kann. Die dabei auftretenden positiven Argonionen werden in Folge der bestehenden Potentialverhältnisse auf die Kathodenober­ fläche beschleunigt, an der sie Kathodenmaterial auslösen, das bei herkömmlichen Kathodenzerstäubungsanlagen einer isotropen Ausbreitungscharakteristik unterliegt, so daß sich das abgesputterte Material gleichmäßig an Oberflä­ chen, die der Target-Kathode gegenüberliegen, abscheidet. Durch die Wahl der Kathodenmaterialien ist es möglich, beliebige Schichtüberzüge auf Substrate zu erhalten.

Zur Herstellung von flächenhaften Datenträgern mit den bislang bekannten, konventionellen Methoden, hat sich Aluminium als reflektierende Schicht als besonders geeig­ net herausgestellt.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die allgemein bekannte Schwierigkeit der Bildung haftfester Metallschichten auf Acrylglas-Substrate durch die Beimischung kohlenwasser­ stoffhaltiger Zusatzgase in den Rezipienten der Kathodenzerstäubungsanlage beseitigt werden kann ohne eine gesonderte Vorbehandlung des Substrates unternehmen zu müssen.

Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung experimentell nachgewiesen, daß es bereits in einem einzigen Verfah­ rensschritt möglich ist, haftfeste Metallüberzüge auf PMMA-Substrate zu erzielen. Vorzugsweise wird dem Sputtergas Argon, Methan oder alkoholhaltige Zusatzgase mit einem Volumenanteil von maximal 50% beigemengt. Der Kontakt des Zusatzgases mit der Substratoberfläche be­ wirkt scheinbar eine Kompensation der Auswirkung der UV- Strahlung auf das Substrat, die die oberflächennahen Polymer-Verbindungen des Substrates aufzubrechen vermag, was sowohl zu optischen als auch chemischen Oberflächen­ veränderungen führt und das Zustandekommen einer haftfes­ ten Verbindung nicht gestattet. Da man die Reaktionsme­ chanismen nicht genau kennt, stellt man sich hilfsweise vor, daß die kohlenstoffhaltigen Verbindungen die aufge­ brochenen Polymer-Verbindungen zu heilen vermögen, wodurch eine, für eine innige Oberflächenverbindung mit einer Metallschicht notwendige, Oberflächenstruktur gebildet wird.

Mit der Kombination beider vorgenannten Gassorten ist es nun erstmals gelungen Metallschichten innerhalb eines Sputterprozeßschrittes auf Plexiglas-Substrate aufzubringen, wodurch eine erhebliche Kostenminimierung in der Herstel­ lung derartiger Produkte erreichbar ist.

Natürlich läßt sich dieses Verfahren auf beliebig andere Acrylglas-Substratformen ausweiten.

Claims (8)

1. Verfahren zur haftfesten Beschichtung eines Substrates, das aus Polymethylmetacrylat (PMMA) besteht, mittels einer an sich bekannten Sputtervorrichtung, mit einer Anode, die im wesentlichen durch das Re­ zipientengehäuse gebildet wird,
einer Kathode, bestehend aus dem auf das Substrat abzu­ scheidenden Materials,
einer Substrathalterung, die in unmittelbarer Nähe zur Kathode angebracht ist, und
Gasein- und Gasauslaßöffnungen, durch die der Sputtergasfluß regelbar ist, sowie mit einer plasmaunterstützen Partikeldeposition auf das Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß das Sputtergas mit einem koh­ lenwasserstoffhaltigen Zusatzgas versetzt ist, das die Oberfläche des Substrats während des Sputtervorgangs der­ art beeinflußt, daß das abgesputterte Kathodenmaterial eine innige Verbindung mit dem Substrat (PMMA) eingeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sputtergas Argon ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzgas Methan ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzgas alkoholhaltige Verbindungen enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil des Zusatzgases zum Sputtergas maximal 50% beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodenmaterial Kupfer ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetmaterial aus einem silbrigen Metall, vorzugsweise Aluminium, besteht.