DE4342463C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten von optischen Linsen mit Schutzschichten und mit optischen Schichten im Vakuum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von optischen Linsen, insbesondere aus Kunststoffen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch die gattungsbegründende DE 41 28 547 A1 ist es bekannt, Schutz­ schichten aus SiO₂ und nachfolgend optische Schichten aus abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichtmaterialien chargenweise, d. h. nachein­ ander, in einer einzigen Vakuumkammer auf Substraten aufzubringen. Die Schutzschichten sind dabei verhältnismäßig dick und sollen das Substrat gegen mechanische und chemische Einflüsse schützen. Bei Substraten aus Kunststoffen, die gegenüber Substraten aus mineralischen Stoffen verhält­ nismäßig weich sind, haben die Schutzschichten die zusätzliche Aufgabe, ein "Eindrücken" der optischen Schichten in das Kunststoffsubstrat unter der Einwirkung örtlicher Kräfte zu verhindern, eine Eigenschaft, die besonders bei Brillengläsern von ausschlaggebender Bedeutung ist, da diese durch häufige Reinigungsvorgänge einer besonders starken Belastung ausgesetzt sind. Bei dem bekannten Verfahren wird die Schutzschicht durch Elektronenstrahlver­ dampfung von SiO₂ bei gleichzeitigem Betrieb einer Plasmaquelle aufge­ bracht, der Argon zugeführt wird. Auch die Herstellung der optischen Schichten erfolgt mittels eines Elektronenstrahlverdampfers, wobei der Va­ kuumkammer zusätzlich ein reaktives Gas wie Sauerstoff und/oder Stickstoff zugeführt werden kann.

Die bekannte Vorrichtung und das darin ausgeübte Verfahren lassen sich je­ doch nicht in einen kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich durchgeführten Produktionsprozeß integrieren, da stets eine relativ große Menge an end­ gültig beschichteten Substraten gleichzeitig fertiggestellt wird. Sämtliche Substrate werden dabei gleichzeitig von einem kalottenförmigen Substrat­ halter getragen, der wegen der Notwendigkeit einer gleichmäßigen Schicht­ dickenverteilung nicht nur auf den einzelnen Substraten, sondern auf der Ge­ samtheit aller Substrate einen erheblichen Abstand sowohl von dem Elektro­ nenstrahlverdampfer als auch von der Plasmaquelle haben muß. Für einen taktweisen Betrieb unter Freigabe von ein oder zwei Substraten in Überein­ stimmung mit vor- und nachgeschalteten Produktionsprozessen sind weder das bekannte Verfahren noch die Vorrichtung geeignet.

Durch die DE 29 00 724 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Substrate, über deren Beschaffenheit und/oder Geometrie nichts ausgesagt ist, ab­ wechselnd mit Schichten aus Glimmpolymerisaten und Metallschichten ver­ sehen werden. Eine Metallbeschichtung scheidet zunächst bei optischen Linsen aus, insbesondere dann, wenn die Metallschichten eine ent­ sprechende Dicke aufweisen. Über die Schichtdickenverhältnisse werden keinerlei Aussagen gemacht, auch nicht über die Beschichtungsraten in den einzelnen Beschichtungsstationen. Ganz offensichtlich sollen auch dickere Schichten durch mehrmaliges Umlaufen der Substrate erzeugt werden, bevor diese der Vorrichtung entnommen werden. Es entstehen also abwechselnd Schichten aus Glimmpolymerisaten und Metallen auf Substraten, die ganz offensichtlich keine Linsen, insbesondere keine Brillengläser sind.

Die obige DE 29 00 724 A1 offenbart keine Durchlaufanlage, d. h. keine An­ lage, bei denen Substrate kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich von Atmosphäre zu Atmosphäre transportiert werden. Vielmehr werden hierbei die Substrate über ein endloses Band im Innern einer aus zwei Kammern bestehenden Beschichtungsanlage transportiert, wobei als Schleusen be­ zeichnete Backen keine "echten Schleusen" sind, sondern sogenannte Druckstufenstrecken zwischen denen Gase abgepumpt werden. Dabei haben alle Substrate die gleiche Bewegungsgeschwindigkeit, und es ist auch nicht möglich, einzelne Substrate aus dem System zu entnehmen. Wegen eines kontinuierlich umlaufenden Transportbandes ist es nicht möglich, die als Schleusen bezeichneten Druckstufenstrecken mit Schleusenventilen zu ver­ sehen, die eine Absperrung ermöglichen könnten.

Durch die DE 36 23 970 A1 ist es bekannt, zweidimensionale Substrathalter in senkrechter Lage mittels eines Rollensystems durch eine Beschichtungsanlage zu führen, in der auch eine beidseitige Beschichtung stattfinden kann. Optische Linsen sind nicht erwähnt, und die betreffende Schrift enthält auch keinerlei Angaben über Schichtdickenverhältnisse, und gegebenenfalls unterschiedliche Transportgeschwindigkeiten oder Takt­ frequenzen, wenn es darum gehen könnte, Schichten mit stark voneinander verschiedenen Schichtdicken nacheinander im gleichen Durchlauf aufzu­ bringen.

Die DE 42 03 631 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Behandlung einer Oxidschicht, die sich bereits vorher auf einer Folie be­ funden haben kann, oder die in einer Art Vorkammer vor einer Behandlungs­ station auf die Folie aufgebracht wird. Es geht also nicht um die Herstellung von zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Schichten, sondern lediglich um die Nachbehandlung einer Schicht, beispielsweise um diese aufzuhellen. Hiermit stellt sich die Problematik einer Kontrolle der Schichtdickenverteilung überhaupt nicht.

Durch "Ullmanns Encyclopädie der technischen Chemie", 4. Auflage, Band 4, "Verfahrensentwicklung und Planung von Anlagen - Dokumentation", Seiten 299-301, sind allgemeine Hinweise für die Auslegung von Regelkreisen be­ kannt, die aber den Hinweis enthalten, daß schon bei einfachen Regelkreisen die Untersuchung ihres Verhaltens erschwert wird und daß bei kompli­ zierteren Systemen eine Bestimmung des Regelungsverhaltens im voraus praktisch unmöglich ist. So wird insbesondere ausgeführt, daß die Pufferung großer Schwankungen im Strom der zugeführten Stoffe erhebliche Kosten für Zwischenbehälter zur Folge hat.

Es ist auch bekannt, Schutzschichten der beschriebenen Art durch ein soge­ nanntes PCVD-Verfahren (Plasma-Chemical-Vapour-Deposition) herzustel­ len, bei denen die Substrate gleichfalls chargenweise beschichtet werden. Es ist weiterhin bekannt, die Substrate bei einem derartigen Verfahren auf der Außenseite einer drehbaren Trommel anzuordnen und die Substrate durch Drehung der Trommel durch eine oder mehrere Beschichtungszonen hin­ durchzuführen. Auch hierbei werden sämtliche Substrate gleichzeitig fertig­ gestellt, d. h. ein taktweiser Betrieb und eine Integration in einen weitgehend automatischen Produktionsprozeß mit vor- und nachgeschalteten Bear­ beitungsstufen sind nicht möglich.

Um die Problematik bei der Herstellung "dicker" Schutzschichten aufzu­ zeigen, sei auf folgendes verwiesen:
Beim sogenannten thermischen Verdampfen (Beheizung dem Ver­ dampfungsmaterials durch Elektronenstrahlbeschuß, Lichtbogen, oder durch Stromwärme, die durch ein Verdampferschiffchen geleitet wird) entstehen auf einem ungeheizten Substrat relativ locker gepackte Schichten. Typisch ist eine "Stengelstruktur" die mit zunehmender Schichtdicke immer ausgeprägter wird. Diesem Effekt kann durch eine Temperaturerhöhung der Substrate ent­ gegen gewirkt werden, wodurch aber die Anwendbarkeit eines solchen Ver­ fahrens für zahlreiche Substratwerkstoffe ausscheidet. Außerdem ist bei der­ artigen Verfahren der bereits weiter oben beschriebene große Abstand zwischen den Beschichtungsquellen und den Substraten erforderlich. In jedem Falle aber ist die Beschichtungsrate relativ klein; sie liegt je nach Ma­ terial zwischen 0,1 und 5 nm/s.

Für die Beschichtung von Kunststoff-Linsen, insbesondere für die Beschich­ tung von Brillengläsern aus Kunststoffen, wurden daher sogenannte Lackier­ verfahren entwickelt, durch die in einem naß-chemischen Prozeß auf die fertig geschliffene Linsenoberfläche Hartlacke aufgebracht werden. Nach dem Trocknen und Aushärten dieser Hartlacke können dann die transparenten re­ flexmindernden Ein- oder Mehrfachschichten im Vakuum aufgebracht werden. Auch ein solches Verfahren läßt sich nicht in ein taktweise be­ triebenes Produktionsverfahren integrieren. Zudem ist die naß-chemische Lackiertechnik relativ aufwendig, zumal die Lacke erst kurz vor der Verarbei­ tung aufbereitet werden dürfen.

Die naß-chemische Vorlackierung der Substrate wird zwar bei einem Verfah­ ren nach der bereits genannten DE-OS 41 28 547, das auch als "ionenunterstütztes Verdampfen" bezeichnet wird, überflüssig, jedoch kann auch dieses Verfahren - wie bereits gesagt - nicht in einen kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen bzw. taktweisen Produktionsprozeß integriert werden.

Beim PCVD-Verfahren wird die Schicht nicht von einem festen Beschich­ tungsmaterial wie bei der Katodenzerstäubung oder beim Verdampfen aufge­ baut, sondern aus der Gasphase abgeschieden. Mittels eines Plasmas wird ein entsprechendes Gas "aktiviert". An der Substratoberfläche laufen alsdann chemische Reaktionen ab, die zum Schichtaufbau führen. Der Leistungsbe­ darf zur Erzeugung des Plasmas liegt bei gleichen Abscheideraten ungefähr bei 10% der beim Sputtern oder Aufdampfen notwendigen Leistungen. Die mittels PCVD erzeugten dielektrischen Schichten sind ins der Regel elastischer und dichter als vergleichbare aufgedampfte oder aufgesputterte Schichten. Von einem solchen PCVD-Verfahren geht die Erfindung aus.

Bei den PCVD-Verfahren werden als schichtbildende Stoffe gasförmige bzw. leicht verdampfbare Flüssigkeiten eingesetzt. So kann z. B. eine quarzähn­ liche Schicht aus den Ausgangsstoffen TMDSO (= Tetramethyldisiloxan) oder HMDSO (= Hexamethyldisiloxan) oder aus einem Gasgemisch aus Silan einerseits und Sauerstoff oder Lachgas andererseits abgeschieden werden, wobei häufig ein merklicher Wasserstoffanteil eine starke Vernetzung der Schicht bewirkt. Die Anregung des Niederdruck-Plasmas kann dabei mittels Gleichstrom-Elektroden oder mittels Wechselstrom auf induktivem Wege (mit bestimmten Frequenzen gespeiste Spulen) und/oder auf kapazitivem Wege (an entsprechende Energiequellen angeschlossene Elektroden) oder durch Einspeisen von Mikrowellen-Energie erfolgen. Man erhält hierdurch äußerst einfach aufgebaute Apparaturen, die in einem großen Druckbereich. z. B. zwischen 10^-3 und 10 mbar sehr zuverlässig arbeiten.

Die Beschichtung einer geringen Anzahl von kalottenförmigen Substraten bis hin zur Beschichtung eines einzigen Substrats nach dem PCVD-Verfahren ist zur Herstellung sogenannter Kaltlichtspiegel bereits durch die DE-PS 40 08 405 bekannt, jedoch sind auch hierbei Maßnahmen oder Mittel zum taktweisen Betrieb einer solchen Anlage zwecks Integration in einen kom­ plexen Produktionsprozeß nicht angegeben.

Am Anmeldetag waren folgende drei Anlagentypen bekannt:

• 1. Batch-Anlagen
• 2. Durchlaufanlagen
• 3. Beschichtungsanlagen für die stationäre Beschichtung von Einzelsubstraten.

Optische Linsen, insbesondere Brillengläser, wurden bisher stets nur chargenweise bzw. als "Batch" beschichtet. Die Verfahren und Vorrichtungen des Typs 2 und 3 wurden jedenfalls bisher für optische Linsen nicht einge­ setzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, das taktweise betrieben und in einen komplexen Produktionsprozeß mit Vor- und Nachbehandlungsstufen integriert werden kann. Insbesondere sollen hierdurch nachgeschaltete Produktions­ prozesse bzw. Produktionsstufen und eine Zwischenkontrolle der Linsen er­ möglicht werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, die Linsen mit kurzer Taktzeit sowohl mit einer sehr dicken kratzfesten und chemisch resistenten sowie farblosen transparenten Schutzschicht zu versehen, als auch nach­ folgend reflexmindernde Ein- oder Mehrfachschichten mit gleicher Taktfolge herzustellen, so daß die Bereitstellung einer entsprechenden Anzahl von Linsen bis hin zu einer einzigen Linse nach der "Methode der Anlieferung in den Prozeßablauf" ermöglicht wird.

Die Kombination der "Methode der Anlieferung in den Prozeßablauf" unter Einbeziehung der PCVD-Beschichtungstechnik schafft das Potential für eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei der industriellen Beschichtung von Linsen bei gleichzeitiger Erhöhung der Schichtqualität und der Funktionalität.

Beim Erfindungsgegenstand werden die Taktfrequenzen der beiden Vakuum­ kammern aufeinander abgestimmt und zwar unter Berücksichtigung spezieller Notwendigkeiten bei den Beschichtungsprozessen, es werden hierbei aber nur kleine Teilmengen von ein bis zwei Linsen überführt, und zwar auf einem äußeren Transportweg, der zwischen den beiden Verfahrensschritten, bzw. zwischen zwei Vakuumschleusen verläuft.

Durch das Merkmal b) wird die Möglichkeit geschaffen, daß die jeweils ent­ nommene Teilmenge sofort auf ihre Spezifikation hin überprüft werden kann, was in einem geschlossenen System nicht oder zumindest nicht ohne weiteres möglich ist. Es muß also nicht in Kauf genommen werden, daß die Endprodukte dem Ausschuß zugeführt werden müssen, weil man fehlerhafte Beschichtungen nicht rechtzeitig erkannt hat.

Weiterhin von Bedeutung ist im Merkmal c) die Angabe, daß das Substrat im angehaltenem Zustand beschichtet wird, wodurch auf einen entsprechend langen Laufweg des Substrats während der Beschichtung verzichtet wird und das Volumen der Vakuumkammer klein gehalten werden kann, wodurch ein Gaswechsel zur Beeinflussung des jeweiligen Beschichtungsvorganges er­ heblich beschleunigt wird.

Die Anwendung des Verfahrens ist dabei mit besonderem Vorteil bei Linsen aus Kunststoffen möglich, hierauf aber keineswegs beschränkt, sondern auch bei transparenten Linsen aus mineralischen Werkstoffen anwendbar, da auf­ grund der relativ geringen Temperaturbelastung der Linsen der Einfluß unter­ schiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten auf die Schichtqualität reduziert wird. Als Kunststoffe kommen hierbei in Frage:
CR39 = Diallyldiethylenglykolkarbonat,
PMMA = Polymethylmethacrylat,
PS = Polystyrol,
PC = Polycarbonat,
jedoch ist das erfindungsgemäße- Verfahren nicht auf den Einsatz dieser Werkstoffe beschränkt. CR39 hat beispielsweise einen Brechungsindex von 1,5; es wurden jedoch zwischenzeitlich Kunststoffe entwickelt, deren Brechungsindex oberhalb von 1,6 liegt. Optische Linsen, insbesondere Brillengläser, mit vorgegebener Dioptrienzahl können um so leichter gehalten werden, je höher der Brechungsindex ist.

Für den zweiten Verfahrensschritt kommen auch andere Verfahren als das PCVD-Verfahren in Frage, beispielsweise eine Beschichtung durch ther­ mische Verdampfung, Katodenzerstäubung und/oder die ionenunterstützte Verdampfung, beispielsweise nach der DE-OS 41 28 47. Es ist allerdings besonders vorteilhaft, auch den zweiten Verfahrensschritt, bei dem Ein- oder Mehrfachschichten mit sehr viel geringerer Schichtdicke erzeugt werden, nach dem PCVD-Verfahren durchzuführen, wobei hierbei ein ganz besonders kleines Kammervolumen eingehalten werden kann, weil hierbei die Not­ wendigkeit einer Dampfstreuung wie beim thermischen Verdampfen nicht vorliegt. Durch entsprechend kleine Kammervolumina bzw. eine Begrenzung des vom Plasma erfüllten Raumes ist es möglich, sehr kurzfristig einen Gas­ wechsel bzw. Gasaustausch vorzunehmen, um hierdurch abwechselnd unterschiedliche Schichtmaterialien aufbringen zu können. Derartige Schicht­ systeme bestehen beispielsweise abwechselnd aus hoch- und niedrig­ brechenden Schichtmaterialien.

Der Kern der Erfindung besteht darin, Verfahrensschritte, bei denen Schich­ ten äußerst unterschiedlicher Dicke aufgebracht werden, so aufeinander ab­ zustimmen, daß eine taktweise Anlieferung fertig beschichteter Linsen, z. B. einzeln oder paarweise ermöglicht wird, ohne daß hierdurch die Produktivität des Gesamtverfahrens leidet. Es ist insbesondere nicht mehr erforderlich, eine Zwischenlagerung von teilbeschichteten Linsen vorzunehmen. Bei einer solchen Zwischenlagerung hat die unvermeidliche Aufnahme von Wasser­ dampf seitens der Linsen einen besonders störenden Einfluß.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Zykluszeit zwischen beispielsweise 3 und 60 Sekunden in jeweils einer Beschichtungszone ein komplettes Mehrschichtsystem auf eine Linse aufgebracht werden.

Wichtig ist bei manchen Linsen, insbesondere bei solchen aus Kunststoffen, insbesondere bei Brillengläsern aus Kunststoffen, die beidseitige Beschich­ tung der Linsen. Die beidseitige Beschichtung kann gleichzeitig oder nach­ einander erfolgen:
Im ersten Falle verfährt man in besonders vorteilhafter Weise so, daß man die von einem zwischen einer ersten Eintragsschleuse und einer ersten Aus­ tragsschleuse bewegten Substratträger gehaltenen Linsen zunächst einseitig beschichtet, die einseitig beschichteten Linsen um 180 Grad wendet und wieder in Richtung auf die erste Eintragsschleuse zurückfördert, an den Substrathalter übergibt und in gewendetem Zustand die zweite Seite be­ schichtet und danach die Linsen über die erste Austragsschleuse austrägt.

Im zweiten Fall verwendet man Substratträger, die mit entsprechenden Durchbrechungen versehen sind, in Verbindung mit Anregungsquellen, die auf beiden Seiten des Transportweges der Linsen angeordnet sind.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn man die Anregungsenergie für das Plasma mittels mindestens einer im Vakuum angeordneten rechteckigen Elektrode an das Plasma ankoppelt, wobei die Hauptebene und die längste Achse der Elektrode parallel zu dem mindestens einen Transportweg der Linsen verlaufen.

Unter rechteckigen Elektroden werden auch solche langgestreckten Elek­ troden verstanden, die abgerundete Enden aufweisen, sowie solche mit nicht­ planarer Oberfläche, beispielsweise mit einer strukturierten Oberfläche, wobei die Strukturierung durch Vorsprünge wie Rippen oder Rücksprünge erzielt werden kann.

Die Leistungsfähigkeit des PCVD-Beschichtungsverfahrens kann in beson­ ders vorteilhafter Weise dadurch gesteigert werden, daß man das Plasma durch einen dem Umfang der Elektrode geometrisch ähnlichen geschlos­ senen magnetischen Tunnel mit Schmalseiten und Langseiten auf die den Linsen zugekehrte Seite der Elektrode konzentriert.

Auf diese Weise erhält die Elektrode die Wirkung einer Magnetron-Katode, ohne daß bei einem PCVD-Verfahren jedoch ein zerstäubungsfähiges Target verwendet würde. Vielmehr wird zweckmäßigerweise durch Werkstoffauswahl und/oder Verfahrensparameter dafür gesorgt, daß das Elektrodenmaterial während des PCVD-Prozesses selbst nicht zerstäubt wird.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist eine solche Vorrichtung erfindungsge­ mäß gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentan­ spruchs 12.

Eine solche Vorrichtung schafft durch den äußeren Transportweg die zusätz­ liche Möglichkeit, entweder die eine oder die andere Vakuumkammer zu um­ gehen, wenn beispielsweise ganz einfache Schichten erzeugt werden sollen, die nur Schutzschichten oder nur optische Schichten darstellen. Außerdem können einer Anlage zur Herstellung dicker Schutzschichten auch mehrere parallele Anlagen zur Herstellung dünner optischer Schichten nachgeschaltet werden.

Die verschiedenen Transportwege müssen nicht notwendigerweise geradlinig verlaufen; für das PCVD-Verfahren des ersten und des zweiten- Verfahrens­ schritts können auch sogenannte Karussell-Anlagen mit rotierenden Substrathaltern verwendet werden, denen die Linsen über mindestens eine Schleuse kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich zugeführt und wieder ent­ nommen werden. Es ist jedoch besonders zweckmäßig, den mindestens einen Transportweg geradlinig zu gestalten und die Elektrode rechteckig aus­ zubilden und deren längste Achse parallel zu dem mindestens einen Trans­ portweg der Linsen auszurichten.

Mit dem Ausdruck "Durchlaufverfahren" werden für die erste Vakuumkammer sowohl kontinuierliche Transportverfahren für die Linsen von Schleuse zu Schleuse bezeichnet als auch quasi-kontinuierliche Transportverfahren, bei denen die Linsen schrittweise von Schleuse zu Schleuse bewegt werden und auf ihrem Transportweg auch vorübergehend angehalten werden. Eine schrittweise Transportbewegung kann sich dadurch ergeben, daß der Schleusenbetrieb durch Öffnen und Schließen der Schleusenventile einen absatzweisen Transport der Linsen mit sich bringt. Die Beschichtung in der zweiten Vakuumkammer erfolgt in jedem Fall in angehaltenem Zustand.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Ein Verfahrensprodukt sowie zwei Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend an­ hand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen teilweisen Schnitt durch eine Linse bzw. ein Brillenglas im Endzustand,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zur einseitigen Be­ schichtung mehrerer Linsen in einem ersten Verfahrensschritt und zur beidseitigen Beschichtung einer einzelnen Linse während des zweiten Verfahrensschritts,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine bandförmige Transporteinrichtung für die Vorrichtung nach Fig. 2 mit mehreren Linsen während des ersten Verfahrensschritts unter besonderer Hervorhebung des zweispurigen Transportweges,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung analog Fig. 2, je­ doch mit einer Transporteinrichtung für die Linsen mit Durch­ brechungen für die gleichzeitige beidseitige Beschichtung der Linsen im ersten Verfahrensschritt und für die beidseitige Be­ schichtung zweier Linsen im zweiten Verfahrensschritt und

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Transporteinrichtung nach Fig. 4 mit zwei parallelen Transportwegen.

In Fig. 1 ist eine Linse S dargestellt, die durch ein Brillenglas aus CR39 mit einem Brechungsindex n = 1,5 repräsentiert wird. Alternative transparente Werkstoffe mit gleichen oder höheren Brechungsindices sind in der allge­ meinen Beschreibung erwähnt. Auf diese Linse wurde in einem ersten Ver­ fahrensschritt eine Schutzschicht P mit einer Dicke von 3 µm aus SiO₂ mit einem Brechungsindex n = 1,5 aufgebracht. Der Brechungsindex der Schutz­ schicht P sollte möglichst weit dem Brechungsindex der Linse S angenähert werden. Bei Verwendung eines Substratwerkstoffs mit einem Brechungsindex oberhalb von n = 1,5 empfiehlt es sich, die Schutzschicht P aus einem Schichtwerkstoff mit der Formel SiO_xN_y aufzubauen. Zur Anpassung des Brechungsindex können die Werte für x und y variiert werden. Hierbei können die Werte für x und y alternativ auch Null sein. Soll der Brechungsindex sich dem Wert n = 1,7 nähern, so wird zweckmäßigerweise Siliziumnitrid mit der Formel Si₃N₄ erzeugt. Das optische Schichtsystem besteht im vorliegenden Fall aus vier Einzelschichten, die abwechseln hochbrechend (H) und niedrigbrechend (L) sind. Für die hochbrechenden Schichten kann beispielsweise TiO₂ oder Ta₂O₅ mit einem Brechungsindex von bis über 2,2 verwendet werden, für die niedrigbrechenden Schichten SiO₂. Die Schicht­ dicken der Einzelschichten des optischen Systems O liegen hierbei im Bereich einer Viertel-Wellenlänge des verwendeten Meßlichts. Die Summe der einzelnen Schichtdicken innerhalb der optischen Schicht O ist also eindeutig geringer als die Dicke der Schutzschicht P.

Fig. 2 zeigt eine langgestreckte Vakuumkammer 1, die in ihren Stirnwänden 2 und 3 je eine erste Eintragsschleuse 4 und eine erste Austragsschleuse 5 besitzt. Die beiden Schleusen sind von bekannter Bauart und besitzen jeweils zwei Schleusenventile, zwischen denen sich eine mechanische Übergabe­ einrichtung für die Linsen befindet. Es ist infolgedessen nicht erforderlich, die Einzelheiten dieser Schleusen darzustellen. Gleichfalls nicht dargestellt sind der Saugstutzen für die Erzeugung des Vakuums sowie Gaszuleitungen für die benötigten Reaktionsgase.

Zwischen den Schleusen befindet sich eine Transporteinrichtung 6, die aus einem Endlos-Förderband besteht, und auf der die Linsen S aus der Ein­ tragsschleuse 4 heraus abgelegt werden. Am Ende der Transporteinrichtung 6 werden die Linsen S dann wieder von der Austragsschleuse 5 über­ nommen.

Oberhalb der Transporteinrichtung 6 befindet sich eine rechteckige Elektrode 7, die mittels einer Isolierdurchführung 8 an der Decke der Vakuumkammer 1 aufgehängt ist. Die Elektrode 7 dient zur Eintragung der Anregungsenergie für das Plasma und hat eine rechteckige Form, deren längste Achse parallel zum Transportweg (Pfeil 9) der Linsen S verläuft. Die Elektrode 7 besteht aus einer Hülle aus magnetischem, nicht zerstäubbarem Material und ist auf der den Linsen abgekehrten Seite mit einem Magnetsystem 10 versehen, das im Schnitt dargestellt ist. Dieses Magnetsystem erzeugt auf der den Linsen zu­ gekehrten Seite der Elektrode einen magnetischen Tunnel 10a, der durch gestrichelte Feldlinien angedeutet ist. Sowohl das Magnetsystem 10 als auch der magnetische Tunnel 10a erstrecken sich über den gesamten Umfang der Elektrode 7, sind also in sich räumlich geschlossen. Infolge der Rechteckform der Elektrode 7, die sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt, hat auch der magnetische Tunnel 10a einen rechteckigen Verlauf und besitzt zwei Schmalseiten und zwei Langseiten. Fig. 2 zeigt den Schnitt durch die beiden Schmalseiten. Die beiden Langseiten verlaufen parallel zur Transportrichtung der Linsen (Pfeil 9).

In der Vakuumkammer 1 nach Fig. 2 erfolgt zunächst nur eine einseitige Beschichtung der Linsen S. Das Zustandekommen der beidseitigen Be­ schichtung wird anhand von Fig. 3 näher erläutert.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, bildet die Transporteinrichtung 6 zwei parallele Transportwege 11 und 12 für die Linsen S. Zunächst werden die Linsen S am linken Ende des Transportweges 11 in einer Lage aufgelegt, wie sie in Fig. 2, oben, links, dargestellt ist. Im Einflußbereich der Elektrode 7 befindet sich gleichzeitig eine Vielzahl von Linsen S, die auf dem Transportweg 11 ein­ seitig, d. h. mit ihrer Oberseite, beschichtet werden. Nach dem Verlassen des Transportweges 11 werden die Linsen von der Transporteinrichtung 6 abge­ nommen und entlang des strichpunktierten Weges 13 an den Anfang der Transporteinrichtung 6 zurückgeführt, hierbei jedoch durch eine Wendeein­ richtung 14, die nur symbolisch dargestellt ist, um 180 Grad gewendet und danach wieder auf den Anfang der Transporteinrichtung 6 aufgelegt, und zwar in einer Position, die in Fig. 2, oben, rechts, dargestellt ist. Das Auf­ legen geschieht am Anfang eines zweiten Transportweges 12, der zum ersten Transportweg 11 parallel verläuft, so daß sich auf der Transportein­ richtung 6 zwei parallele Reihen von Linsen S befinden. Am Ende des zweiten Transportweges 12 werden die Linsen auf eine hier nicht gezeigte Weise von der Austragsschleuse 5 übernommen und ausgeschleust. Die beiden Transportwege 11 und 12 befinden sich unterhalb der beiden Lang­ seiten des Magnetsystems 10 bzw. des magnetischen Tunnels 10a, da hier die Beschichtungsrate den größtmöglichen Wert hat.

Wie sich weiterhin aus Fig. 2 ergibt, werden die aus der Austragsschleuse 5 ausgetragenen Linsen auf einem äußeren Transportweg 15 zu einer weiteren Vakuumkammer 16 transportiert, deren beide Stirnwände 17 und 18 gleich­ falls mit je einer zweiten Eintragsschleuse 19 und einer zweiten Austrags­ schleuse 20 ausgerüstet sind. Auch die Vakuumkammer 16 besitzt eine Transporteinrichtung 21, die die beiden Schleusen miteinander verbindet. Im vorliegenden Fall besteht diese Transporteinrichtung 21 jedoch aus einzelnen Paletten 22, die in der Mitte jeweils eine Durchbrechung 22a besitzen, auf deren Rand der Rand einer Linse S aufgelegt ist. In diesem Falle befinden sich oberhalb und unterhalb der Transporteinrichtung 21 zwei Elektroden 23 und 24, die gleichfalls ein hier nicht näher dargestelltes Magnetsystem auf­ weisen können. Durch diese Anordnung wird in Verbindung mit der Durch­ brechung 22a eine beidseitige Beschichtung der Linse ermöglicht. Die Paletten 22 werden durch die Eintragsschleuse 19 eingeschleust und durch die Austragsschleuse 20 wieder ausgeschleust und in Richtung eines weiteren äußeren Transportweges 25 einer hier nicht gezeigten Weiterbe­ arbeitungsstation zugeführt. Es ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß die Vakuum­ kammer 1 jeweils mit einer einzelnen Linse beschickt wird und daß die Vakuumkammer 16 über den Transportweg 25 jeweils eine einzelne Linse zur Weiterbearbeitung zur Verfügung stellt. Die sogenannte "Teilmenge" ist also in diesem Falle 1. Es geht aus Fig. 1 ebenso hervor, daß zwischen den Va­ kuumkammern 1 und 16 eine Taktabstimmung vorliegt, d. h. die einzelnen Vakuumkammern versorgen sich gegenseitig nach der "Methode der An­ lieferung in den Prozeßablauf".

Bezüglich des Zahlenverhältnisses der gleichzeitig den einzelnen Beschich­ tungsverfahren ausgesetzten Beschichtungsoberflächen ergibt sich folgende Überlegung: Maßgebend hierfür sind die Anzahl und die Beschichtungsdauer der Beschichtungsoberflächen in der Vakuumkammer 16. Es sei angenom­ men, daß die vollständige Beschichtung mit einem vierlagigen optischen Schichtsystem nach Fig. 1 30 Sekunden in Anspruch nimmt. Innerhalb dieser Zeit wird eine beidseitig beschichtete Linse S zur Verfügung gestellt. Die Vakuumkammer 1 muß also gleichfalls alle 30 Sekunden eine beidseitig beschichtete Linse zur Verfügung stellen. Da infolge der sehr viel größeren in der Vakuumkammer 1 zu erzeugenden Schichtdicke der Beschichtungs­ prozeß dort etwa 600 Sekunden, also 10 Minuten dauert, müßten sich in der Vakuumkammer 1 bei beidseitiger Beschichtung 20 Linsen in der durch die Elektrode 7 definierten Beschichtungszone befinden. Da bei dem Verfahren nach den Fig. 2 und 3 aber jeweils nur die nach oben gerichtete Seite der Linsen beschichtet wird, muß die Beschichtungszone insgesamt 40 Linsen aufnehmen, was gemäß Fig. 3 in zwei parallelen Reihen zu je 20 Linsen geschieht. In Fig. 3 ist nur ein Ausschnitt aus dieser Anordnung dargestellt.

Fig. 4 zeigt nun im oberen Teil eine analoge Vakuumkammer 1, die jedoch mit zwei planparallel zueinander ausgerichteten rechteckigen Elektroden 7 und 7a ausgestattet ist, die mit der Elektrode 7 in Fig. 2 übereinstimmen. Die Transporteinrichtung 26, die die Eintragsschleuse 4 mit der Austrags­ schleuse 5 verbindet, besitzt jedoch im vorliegenden Fall aneinander gereihte Paletten 27, die jeweils mit zwei nebeneinander liegenden Durchbrechungen 27a versehen sind, so daß eine gleichzeitige beidseitige Beschichtung mög­ lich ist. Dadurch entstehen gleichfalls zwei parallele Transportwege 28 und 29. Die Eintragsschleuse 4 liefert also gleichzeitig zwei Linsen an, und die Austragsschleuse 5 führt gleichzeitig zwei beidseitig beschichtete Linsen ab. Die Teilmenge ist in diesem Fall also 2. Ein Zurückführen und ein Wenden der Linsen ist auf diese Weise entbehrlich. Auch in diesem Falle ist der Va­ kuumkammer 1 eine zweite Vakuumkammer 16 nachgeschaltet, die mit einer Ausnahme mit derjenigen nach Fig. 2 übereinstimmt: Die Paletten 27 mit zwei nebeneinander angeordneten Durchbrechungen 27a werden auch für die Vakuumkammer 16 verwendet, so daß pro Arbeitstakt über den Trans­ portweg 25 zwei beidseitig beschichtete Linsen S angeliefert werden. Bei gleichem Verhältnis der Beschichtungsdauern in den Vakuumkammer 1 und 16 müssen also in der Vakuumkammer 1 gleichzeitig 40 Linsen beidseitig be­ schichtet werden. Da dies in Doppelreihen erfolgt, besteht jede Linsenreihe innerhalb der Beschichtungszone gleichfalls nur aus 20 Linsen. Der Liefer­ grad der gesamten Anlage ist aber bei dem Beispiel nach Fig. 4 verdoppelt.

Geht man von der Überlegung aus, daß in der Vakuumkammer 16 nach Fig. 4 jeweils nur eine einzelne Linse S beidseitig beschichtet wird, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 2 bereits erläutert wurde, dann kann die Anzahl der gleichzeitig in der Vakuumkammer 1 der beidseitigen Beschichtung ausge­ setzten Linsen auf 20 Linsen verringert werden. Da auch hier die Beschich­ tungsdauer in der Vakuumkammer 16 die Taktfolge bestimmt, kann die Länge der Elektroden 7 und 7a in der Vakuumkammer 1 und damit die Beschich­ tungszone auf etwa die Hälfte der Länge verkürzt werden, und auch die Transportgeschwindigkeit der Transportvorrichtung 26 kann auf die Hälfte re­ duziert werden, so daß die Verweildauer der Linsen in der Beschichtungs­ zone wieder übereinstimmt. Da in diesem Falle pro Arbeitstakt am Ausgang der Austragsschleuse 5 jeweils zwei Linsen zur Verfügung gestellt werden, ist es für den zuletzt beschriebenen Fall lediglich erforderlich, diese Linsen einzeln in die Vakuumkammer 16 einzuschleusen, wodurch aber für die je­ weils zweite Linse lediglich eine kurze Zeitverzögerung von 30 Sekunden entsteht.

In jedem Falle sind die Prozesse in den einzelnen Vakuumkammern 1 und 16 sehr unterschiedlich zu steuern bzw. zu regeln, so daß eine breite Palette an Schichtsystemen taktweise bzw. nach der "Methode der Anlieferung in den Prozeßablauf" zur Verfügung gestellt werden kann.

Die anhand der Fig. 4 und 5 beschriebene paarweise Beschichtung von Linsen ist jedoch besonders für die Beschichtung von Brillengläsern geeignet, da Brillengläser in der Regel paarweise bestellt werden. In diesem Fall werden in der Vakuumkammer 16 gleichzeitig vier Beschichtungsoberflächen beschichtet, und aufgrund des Verhältnisses der Beschichtungsdauer der beiden Verfahrensschritte müssen in diesem Falle in der ersten Vakuum­ kammer 1 gleichzeitig 80 Beschichtungsoberflächen dem Beschichtungsver­ fahren ausgesetzt sein, d. h. bei gleichzeitiger beidseitiger Beschichtung 40 Linsen mit jeweils zwei Beschichtungsoberflächen. Dies wird durch die An­ ordnung von jeweils 20 Linsen hintereinander auf den beiden Transportwegen 28 und 29 erreicht.

Anstelle der durchgehenden Elektroden 7 und 7a in den Fig. 2 und 4 kann auch jeweils eine Reihenanordnung einzelner Elektroden vorgesehen werden, die im Zusammenwirken Beschichtungszonen gleicher Länge er­ zeugen. Hierbei ist es möglich, durch getrennte Regelung der einzelnen Elektroden eine Optimierung des Schichtwachstums durchzuführen.

Es ist weiterhin möglich, das Verfahren in der zweiten Vakuumkammer 16 dadurch zeitlich zu dehnen, daß man die Elektroden in der zweiten Vakuum­ kammer im Impulsbetrieb betreibt. Hierdurch kann die Länge der Beschich­ tungszone in der ersten Vakuumkammer entsprechend verkürzt werden, allerdings bei proportionaler Verringerung der Transportgeschwindigkeit. In jedem Falle aber entscheidet die Beschichtungsdauer in der zweiten Va­ kuumkammer über die Verfahrensparameter in der ersten Vakuumkammer.

Es ist weiterhin möglich, am Anfang der ersten Vakuumkammer oder in einer vorgeschalteten weiteren Vakuumkammer zusätzliche Behandlungsverfahren für die Linsenoberflächen vorzusehen, beispielsweise zum Zwecke einer Oberflächenveränderung durch Plasmabehandlung einschließlich des Ab­ scheidens von haftvermittelnden Schichten zur Verbesserung der Haftung zwischen dem Linsenwerkstoff und der Schutzschicht.

Claims (16)

1. Verfahren zum Beschichten von optischen Linsen (S), ins­ besondere aus Kunststoffen, mit transparenten Schutz­ schichten (P) und mit transparenten optischen Ein- oder Mehrfach-Schichten (O) in mindestens zwei Verfahrens­ schritten im Vakuum, wobei im ersten Verfahrensschritt gleichzeitig eine vorgegebene Menge von Linsen in einer Beschichtungszone mittels eines PCVD-Verfahrens mit einer transparenten Schutzschicht (P) versehen wird, die zumin­ dest überwiegend aus Sauerstoff- und/oder Stickstoffver­ bindungen des Siliziums besteht, eine Dicke zwischen 0,5 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 1 und 5 µm, und einen Brechungsindex besitzt, der möglichst weitgehend demjeni­ gen des Linsenwerkstoffs angenähert ist, und wobei im zweiten Verfahrensschritt die optische Schicht (O) mit einer geringeren Dicke als die Schutzschicht (P) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Beschichtungszone des ersten Verfahrensschritts über eine erste Eintragsschleuse (4) laufend eine Teilmenge neuer Linsen zugeführt und nach Beschichtung mittels eines Durchlaufverfahrens über eine erste Aus­ tragsschleuse (5) eine Teilmenge entnommen wird,
• b) daß die entnommene Teilmenge auf einem äußeren Transportweg (15) einem zweiten Verfahrensschritt zugeführt wird,
• c) die besagte Teilmenge dem zweiten Verfahrensschritt laufend über eine zweite Eintragsschleuse (19) zuge­ führt, in angehaltenem Zustand beschichtet und nach der Beschichtung mit der optischen, transparenten, reflexmindernden Ein- oder Mehrfachschicht (O) über eine zweite Austragsschleuse (20) ausgetragen wird,
• d) die dem ersten Verfahrensschritt entnommene und dem zweiten Verfahrensschritt zugeführte Teilmenge 1 bis 2 Linsen beträgt, und daß
• e) die Transportgeschwindigkeiten bzw. Taktfrequenzen der Linsen (S) in beiden Verfahrensschritten so einge­ stellt werden, daß pro Zeiteinheit im Mittel durch jeden Verfahrensschritt gleiche Mengen an beschich­ teten Linsen hergestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der gleichzeitig dem ersten Verfahrensschritt ausgesetzten Beschichtungsoberflächen der Linsen (S) zumindest im wesentlichen dem Quotienten aus den Beschich­ tungsdauern im ersten und im zweiten Verfahrensabschnitt, multipliziert mit der Anzahl der im zweiten Verfahrensab­ schnitt beschichteten Beschichtungsoberflächen, ent­ spricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im ersten Verfahrensschritt die von einer zwischen der ersten Eintragsschleuse (4) und der ersten Austrags­ schleuse (5) bewegten Transporteinrichtung (6) gehaltenen Linsen (S) zunächst einseitig beschichtet, die einseitig beschichtete Linsen um 180° wendet und wieder in Richtung auf die erste Eintragsschleuse (4) zurückfördert, an die Transporteinrichtung (6) übergibt und in gewendetem Zustand die zweite Seite beschichtet und danach die Linsen (S) über die erste Austragsschleuse (5) austrägt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Linsen (S) während des Beschichtens der ersten Seite durch die Transporteinrichtung (6) auf einem ersten Transportweg (11) führt und danach die gewendeten Linsen (S) mittels der gleichen Transporteinrichtung (6) auf einem zweiten, zum ersten Transportweg (11) parallelen Transportweg (12) bewegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man beide Seiten der Linsen (S) gleichzeitig beschichtet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Linsen (S) auf mehreren zueinander parallelen Transportwegen (11, 12) führt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Anregungsenergie für das Plasma mittels minde­ stens einer auf negativem Potential und im Vakuum ange­ ordneten rechteckigen Elektrode (7, 7a) an das Plasma ankoppelt, wobei die Linsen (S) auf mindestens einem Transportweg (11, 12) geführt werden, der parallel zur Hauptebene und zur längsten Achse der Elektrode(n) (7, 7a) verläuft.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Plasma durch einen dem Umfang der Elektrode(n) (7, 7a) geometrisch ähnlichen geschlossenen magnetischen Tunnel (10a) mit Schmalseiten und Langseiten auf die den Linsen (S) zugekehrte(n) Seite(n) der Elektrode(n) (7, 7a) konzentriert.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die beiden parallelen Transportwege (11, 12) den Langseiten des magnetischen Tunnels zuordnet.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Linsen (S) während der Beschichtung um eine zur Mitte der Beschichtungsoberflächen senkrecht stehende Achse rotieren läßt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im zweiten Verfahrensschritt maximal 2 Beschich­ tungsoberflächen gleichzeitig beschichtet.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Kombination

• a) für den ersten Verfahrensschritt eine erste Vakuum­ kammer (1) mit einer ersten Eintragsschleuse (4) und mit einer ersten Austragsschleuse (5) vorhanden ist,
• b) für den zweiten Verfahrensschritt eine zweite Vakuum­ kammer (16) mit einer zweiten Eintragsschleuse (19) und einer zweiten Austragsschleuse (20) vorhanden ist,
• c) die Eintragsschleusen (4, 19) und die Austragsschleu­ sen (5, 20) mit Schleusenventilen versehen sind, und daß
• d) die Vakuumkammern (1, 16) zwischen der ersten Aus­ tragsschleuse (5) und der zweiten Eintragsschleuse (19) über einen äußeren Transportweg (15) in Reihe geschaltet sind, derart, daß Teilmengen von 1 bis 2 Linsen von Atmosphäre zu Atmosphäre transportierbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12 zur Durchführung des ersten Verfahrensschritts dadurch gekennzeichnet, daß die bei­ den Schleusen (4, 5) der ersten Vakuumkammer (1) durch eine innere Transporteinrichtung (6) miteinander verbun­ den sind, die mindestens einen Transportweg (11, 12) für die Linsen (S) aufweist, und daß in der Vakuumkammer (1) mindestens eine Elektrode (7, 7a) für die Eintragung der Anregungsenergie in das Plasma angeordnet ist, die sich mindestens teilweise über den mindestens einen Trans­ portweg (11, 12) der Linsen (S) erstreckt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Transportweg (11, 12) geradlinig verläuft und die Elektrode (7, 7a) rechteckig ausgebil­ det ist und ihre längste Achse parallel zu dem minde­ stens einen Transportweg (11, 12) verläuft.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (7, 7a) aus magnetischem, nicht zer­ stäubbarem Material besteht und auf der den Linsen (S) abgekehrten Seite mit einem Magnetsystem (10) ausge­ stattet ist, durch das auf der den Linsen (S) zuge­ kehrten Seite der Elektrode (7, 7a) ein umlaufender, in sich geschlossener magnetischer Tunnel (10a) mit zwei Schmalseiten und zwei Langseiten gebildet ist, und daß bei Vorhandensein zweier Transportwege (11, 12) die beiden Transportwege (11, 12) den Langseiten des magne­ tischen Tunnels zugeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Transporteinrichtung (6) eine Rückführungs- und Wendeeinrichtung (14) zugeordnet ist, durch die die Linsen (S) vom Ende des ersten Transportweges (11) abgenommen, in Über-Kopf-Lage gebracht und dem Anfang des zweiten Transportweges zugeführt werden.