DE4409869A1

DE4409869A1 - Verfahren zum Beschichten eines Werkstückes aus Kunststoffmaterial mit einer Metallschicht

Info

Publication number: DE4409869A1
Application number: DE4409869A
Authority: DE
Inventors: Gregor Dr Strasser; Michael Hennessey
Original assignee: Balzers AG; PRODUCERS COLOR SERV Inc
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG; PRODUCERS COLOR SERV Inc
Priority date: 1993-04-01
Filing date: 1994-03-22
Publication date: 1994-10-06
Also published as: GB9401771D0; GB2276634A; CN1109107A; US5400317A; AT403382B; KR940024693A; ATA67494A; JPH073449A; CH688042A5; FR2703364B1; GB2276634B; FR2703364A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstückes aus Kunststoffmaterial mit einer metalli schen Schicht, wobei die Beschichtung auf das Werkstück aus Kunststoffmaterial mit Hilfe des bekannten Kathodenzerstäu bungsverfahrens in einer Vakuumkammer aufgebracht wird.

Diese Art von Beschichtungen findet insbesondere Anwendung bei der Herstellung optischer Datenspeicherscheiben. Um In formation auf solche Scheiben aufzubringen werden bei spielsweise magneto-optische- oder phasenändernde Speicher verfahren verwendet, wo die Information in der Beschichtungs schicht selbst gespeichert wird, oder bei anderen optischen Speicherverfahren wird die Information in den Scheibenkörper, welcher unter der Beschichtung liegt, durch Spritzgußtechnik eingeformt, und dann der Scheibenkörper mit einer hochreflek tierenden Beschichtung beschichtet, so daß ein Laserstrahl die Information entsprechend abtasten kann.

Aus Kostengründen wird der Scheibenkörper heutzutage aus Kunststoffmaterial gefertigt. Die Beschichtung eines solchen Kunststoffmaterials muß jedoch in einer Weise erfolgen, daß die Beschichtung mit ausreichend großer Haftungskraft am Scheibenkörper hält und so daß das Beschichtungsverfahren den Scheibenkörper nicht beschädigt, insbesondere wenn Informa tion auf diesem selbst vorhanden ist. In Hinsicht auf diese Erfordernisse sind Kunststoffmaterialien besonders schwer zu beschichten. Solche Kunststoffmaterialien wie beispielsweise PMMA (Polymethylmetalcrylate) werden heute üblicherweise für die Herstellung von beispielsweise Laservideoscheiben (LD) verwendet.

Es sind bereits verschiedene Behandlungsverfahren zum Erhöhen der Stabilität gegen Umwelteinflüsse und der Haftung von zer stäubung-aufgetragenen Schichten auf solche Kunststoffkörper bekannt. Die Stabilität gegen Umwelteinflüsse wird im allge meinen dadurch getestet, daß das beschichtete Stück erhöhten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen ausgesetzt wird, wie unten erläutert wird.

Die Behandlung der Oberfläche von Kunststoffmaterial mit Hilfe eines Plasmas ist beispielsweise aus dem Vortrag vom G. Legeay, "Surface Modification of natural or synthetic poly mers by cold Plasmas" bekannt, der auf der zweiten Conf. Plasma Chem. Tech. 1984 gehalten wurde. Dabei wird die Ober fläche eines Kunststoffmaterialkörpers durch Plasmabehandlung in einer solchen Weise modifiziert, daß eine anschließend ab gelagerte Schicht besser haftet. Die zur Plasmaerzeugung ver wendeten Gase sind beispielsweise Gase, welche Sauerstoff, Helium und Kohlenstoff enthalten. Die Verwendung von Helium- oder Sauerstoffplasmaentladungen zur Behandlung einer Kunst stoffoberfläche ist ebenso aus der technischen Schrift von J. Hall aus J. Appl. Polym. Sci. Vol. 13, 1969 bekannt. Die Auf gabe der Plasmabehandlung ist es dabei, eine verbesserte Hafthalteeigenschaft an Kunststoffmaterialien zu erzielen. Ein weiterer technischer Artikel von J. Hollahan aus J. Appl. Polym. Sci. Vol. 13, 1969, offenbart eine Kunststoffmate rialoberfläche einer Plasmabehandlung mit Gas auszusetzen, welches Ammoniak, Stickstoff und Wasserstoff enthält, um die Oberflächenhaftungseigenschaft und die Benetzbarkeit zu ver bessern. Dafür wird eine Hochfrequenz-Plasmaentladung verwen det.

Die US-A 4 957 603 beschreibt ein Beschichtungsverfahren für optische Speicherscheiben aus PMMA. Es wird darin erwähnt, daß PMMA (Polymethylmetalcrylat) Kunststoffmaterialien beson ders schwierig durch Kathodenzerstäubung beschichtbar sind. Dabei wird festgestellt, daß Kathodenzerstäubung für die au tomatische Massenproduktion vorteilhafter wäre, als Bedamp fung, aber daß die Probleme mit der Stabilität gegen Um welteinflüsse und der Haftung an zerstäubungs-beschichteten Substratkörpers die Verwendung der Kathodenzerstäubung prak tisch verunmöglicht.

Der Autor des genannten Patentes hat eine beträchtliche Ver besserung der Haftung einer zerstäubungs-beschichteten Me tallschicht auf PMMA festgestellt, wenn ein Polymer dazwi schen vorgesehen wird, welches offenbar die Haftungsverluste zwischen einer zerstäubungs-abgelegten Metallschicht und dem PMMA Substrat vermindert. Es wird vorgeschlagen, daß vor dem Zerstäubungs-Ablegern der Metallschicht die zu beschichtende Oberfläche in einer Gasatmosphäre vorbehandelt wird, welche eine Gasmischung mit Argon und kohlenstoffhaltigem Gas um fast.

Obwohl dieser Autor in einer Ausführungsform vorgeschlagen hat, die Zerstäubung von Nickel selbst unter Verwendung eines Methan-Argon-Zerstäubungs-Gasgemisches auszuführen, so daß die vorteilhafte Oberflächenmodifikation und die Zerstäu bungs-Beschichtung gleichzeitig stattfinden, geht aus der zi tierten Druckschrift nur hervor, daß wegen der sehr niedrigen Beschichtungsrate des für diese Arbeit verwendeten Systems, die Vorbehandlung der Substratoberfläche in einer Vorbehand lungs-Gasmischatmosphäre noch bevor die metallische Zerstäubungs-Beschichtung stattfindet, wichtig ist.

Dies steht in vollständiger Übereinstimmung mit dem Mechanis mus, der nach der Vorstellung dieses Autors stattfindet, ge mäß welchem vermutet wird, daß der Kohlstoffüberschuß, wäh rend des Aussetzens des Körpermaterials einem Hochenergie plasma, die Polymeroberfläche in einer solchen Weise verän dert, daß die Anhaftung des nachfolgend zerstäubungs-abgela gerten Metallfilms verbessert wird.

Die beschriebene Technik hat den einzigen, aber ernsthaften Nachteil, daß er als wesentliches in der Praxis einen vorbe reitenden Verfahrensschritt erfordert, um die Substratober fläche so vorzubehandeln, daß eine maximale Metallbeschich tungsrate nicht gleich zu Beginn des Prozesses einsetzen kann, aufgrund der Begrenztheit der Systemgeschwindigkeit. Die kleine Beschichtungsrate erlaubt es, daß das Kunststoff substrat dem Mischgas-Plasma für eine Zeitdauer ausgesetzt wird, die damit eigentlich einen Vorbehandlungsschritt dar stellt. Dies verlängert die Gesamtverarbeitungszeit solcher Werkstücke.

Es sind außerdem Mehrschritt-Magnetron-Zerstäubungs-Be schichtungsverfahren für PMMA-Körper mit einer metallischen Schicht mit anderen Gasmischungen bekannt. So ist beispiels weise aus der deutschen Offenlegungsschrift OS 40 04 116 be kannt, zuerst die Metallbeschichtung durch Kurzzeitzerstäu bung in einer Argon-Atmosphäre durchzuführen, und dann in ei ner Gasatmosphäre von Argon und Helium fortzusetzen und schließlich den Beschichtungsprozeß in einer reinen Argon-At mosphäre abzuschließen.

In der europäischen Patentanmeldung EP 0 422 323 wird ein PMMA-Substrat durch Magnetron-Zerstäubung beschichtet mit ei ner Aluminiumschicht in einer Gasatmosphäre, welche Helium enthält.

Die zusammengefaßten Nachteile der bekannten Techniken sind:

- Eine Vorbehandlungsphase mindestens bei verminderter Zer stäubungsrate des Metalls in einer Argon/Methan-Atmo sphäre zum Vorbereiten der Oberfläche des Kunststoffmate rialsubstrates oder -körpers vor der Metallbeschichtung bei voller Zerstäubungsrate verlängert die Gesamtverar beitungszeit;
- längere Bearbeitungszeit bei Magnetron-Zerstäubungs beschichtung solcher Kunststoffmaterialoberflächen in einer heliumhaltigen Atmosphäre, weil Helium die Ausbeute des zerstäubten Materials vermindert. Außerdem zeigen solche Beschichtungen eine relativ niedrige Stabilität gegen Umwelteinflüsse.

Aus J. Vac. Sci. Technal. A, Vol. 10, N04, Jul/Aug 1992, S. Schulz et al "Thin-film development and methods for compact disk and laser disk manufacturing" ist eine Zykluszeit von dreizehn Sekunden für das Zerstäubungsbeschichten von PMMA- LDs bekannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Metallbeschichtung von Kunststoffmaterial in einer Vakuumkammer mit Hilfe von Kathodenzerstäubung wirtschaftlicher zu gestalten, und dabei eine gute Haftung der Schichten und eine gute Stabilität dieser Schichten gegen Umwelteinflüsse zu erreichen.

Eine spezielle Anwendung ist die Metallisierung von Laser Disks, insbesondere von PMMA Laser Disks.

Dies wird durch ein Verfahren nach dem Wortlaut von Anspruch 1 erreicht.

Unter magnetfeldunterstützter Zerstäubung sind alle Arten von RF, DC, DC-AC-Zerstäubung zu verstehen, bei denen Magnet felder mit tunnelförmigem Muster des Magnetfeldflusses auf und nahe der zu beschichtenden Oberfläche eingesetzt werden und/oder ein Flußmuster zwischen der genannten Oberfläche und anderen Teilen der Zerstäubungsanordnung gebildet wird.

Obwohl es erfindungsgemäß möglich ist, jede magnetfeldunterstützte Zerstäubungstechnik zu verwenden und dabei ein Material zu zerstäuben, welches eine predominate Komponente der Metallschicht bildet, ist die beste Ausführungsform, welche den Erfindern heute bekannt ist, die Magnetran-Zerstäubung und/oder die Zerstäubung eines Metalls oder einer Metallegierung.

Es wurde von den Erfindern erkannt, daß vor allem die Gesamt verarbeitungszeit durch magnetfeldunterstütztes Zerstäuben des Materials direkt in einem kohlenstoffhaltigen Gasplasma ver kürzt wird.

Im Ergebnis wird die Stabilität gegen Umwelteinflüsse und die Verarbeitungszeit der Beschichtung in Bezug auf solche Schichten verbessert, welche gleich, aber in einem Helium enthaltenden Gasplasma aufgetragen werden. In Hinsicht auf die Tatsache, daß die US-A 4 957 603 eine Vorbehandlung der Kunststoffmaterialoberfläche lehrt, bevor die Metallschicht abgelagert wird und im Lichte der darin gegebenen Erklärun gen, sind die erfindungsgemäßen Ergebnisse, die ohne Vorbe handlung erzielt werden, erstaunlich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren die Plasmaentladung der Zerstäubung mit einem Argon/Methangasgemisch betrieben.

Gemäß der Aufgabe der Erfindung, das Beschichtungsverfahren zu verkürzen und wirtschaftlich zu vereinfachen, wird weiter hin vorgeschlagen, das Gasmischungsverhältnis während der Be schichtung im wesentlichen konstant zu halten, so daß keine Mischungsverhältnisverstellung und keine entsprechende Steue rung während des Beschichtungsvorganges vorgenommen werden muß.

Zusätzlich oder alternativ zum Beibehalten eines konstanten Gasmischungsverhältnisses kann die zuletzt erwähnte Aufgabe durch Beibehaltung des Druckes in der Vakuumkammer auf einem im wesentlichen konstanten Wert während des Beschichtungsvor ganges gelöst werden, was per se oder zusätzlich zum Beibe halten des genannten im wesentlichen konstanten Verhältnis ses, die Gesamtprozeßführung wesentlich vereinfacht.

In einer weitern vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren mit einem kohlenstoffhaltigen Gas durchge führt, welches 3-10% Methan (beide Grenzen eingeschlossen) enthält, wodurch die Stabilität gegen Umwelteinflüsse, die Haftung und die Prozeßdauer optimiert werden.

Zusätzlich oder alternativ zum Beibehalten des Gasmischungs verhältnisses und/oder des Druckes in der Gaskammer auf einen im wesentlichen konstanten Wert, wird vorgeschlagen, die elektrische Leistung der Zerstäubervorrichtung während des Beschichtungsvorganges im wesentlichen konstant zu halten.

Es ist eine wichtige weitere Aufgabe der Erfindung, das Verfahren an einem PMMA-Kunststoffmaterial durchzuführen. Dies gilt insbesondere für ein PMMA-Materialwerkstück, welches als optische Speicherplatte strukturiert ist.

Es wird dabei außerdem vorgeschlagen, ein hochreflektierendes Metall, vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, auf dem optischen Speicherscheiben-Werkstück aus PMMA zer stäubungsaufzutragen.

Es ist weiter ein wichtiger Vorteil der Erfindung, daß die Wirtschaftlichkeit des Bearbeitungsvorganges zum metallischen Beschichten eines optischen Speicherscheibenkörpers aus PMMA mit einem hochreflektierenden Metall z. B. mit einer Metall schicht aus vorzugsweise Aluminium oder einer Aluminumlegie rung, durch eine Zykluszeit von weniger als 10 Sekunden, vor zugsweise zwischen 5 bis 6 Sekunden, verbessert werden kann. Die erwähnte Verkürzung der Prozeßzeit beträgt mehr als 30% gegenüber bekannten Zykluszeiten und führt dennoch zu be schichteten PMMA optischen Scheiben, welche die Normen IEC 856 und 857 erfüllen.

(IEC 856, S. 15, 5.1 bis 5.3; p 17, 6 / IEC 857, S. 15, 5.1 bis 5.3; p. 17, 6)

Solche kurzen Prozeßzeiten erhöhen den Produktionsausstoß we sentlich und wirken daher kostenvermindernd.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine optische Speicherscheibe mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichteten PMMA′s zur Verfügung zu stellen, wobei die metallische Beschichtung in einer Gasatmosphäre mit einem Gasgemisch durch Zerstäubung abgelegt wurde, welches Gemisch Argon und ein kohlenstoffhaltiges Gas enthält. Eine solche optische Speicherscheibe weist eine hervorragende Beschichtungsstabilität bezüglich des PMMA-Kunststoffkörpers der Scheibe auf und ist sehr kostengünstig herstellbar, einem der die Kosten solcher Scheiben bestimmenden Parameter.

Als eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird eine optische Speicherscheibe vorgeschlagen, welche durch Aufbrin gen einer Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Beschichtung in weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise in 5 bis 6 Sekunden, hergestellt ist und trotzdem der IEC 867 und 857 Norm genügt. Aufgrund der kurzen Dauer des Beschichtungsvorganges sind solche Scheiben besonders wirtschaftlich herstellbar wobei der höhere Produktionsausstoß eine Senkung der Herstellungs kosten erlaubt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zum wirtschaftlichen Hochrate/Beschichten mindestens eines Werkstückes aufs mal vorzuschlagen, das aus Kunststoffmate rial besteht, mit einer metallischen Schicht z. B. einer Me tallschicht, welche ausgezeichnet haftet und gegen Umweltein flüsse stabil ist. Eine solche Vorrichtung umfaßt eine Vakuum kammer mit mindestens einer magnetfeldunterstützten Zerstäu bungsquelle aus einer prädominanten Komponente der Schicht, wobei die Vakuumkammer mit einer steuerbaren Gaszufuhrein richtung mit einem Gasgemischtank versehen ist, welcher Argon und kohlenstoffhaltiges Gas enthält, oder mit mindestens zwei Tanks versehen ist, welche jeweils Argon und kohlenstoffhal tiges Gas enthalten und wobei diese Vorrichtung weiter eine Evakuierungspumpeneinheit, Einrichtungen zum Zuführen von mindestens einem Werkstück in diese Kammer und Einrichtungen zum Entfernen von mindestens einem Werkstück aus dieser Kam mer umfaßt.

Durch Vorsehen einer magnetfeldunterstützten Zerstäubungs quelle wie beispielsweise und vorzugsweise eine Magnetron- Zerstäubungsquelle für besagte Komponente, wird die Beschich tungseffizienz wesentlich erhöht, wobei das Vorsehen der Gastanks die Verwirklichung einer Zerstäubungsplasma-Atmo sphäre erlaubt, welche eine verbesserte Schichthaftung und Stabilität gegen Umwelteinflüsse unter Vermeidung einer zeit aufwendigen Vorbehandlung der Oberfläche der Kunst stoffmaterialkorpus vor der Schichtablagerung bei voller Zer stäuberrate erlaubt.

Als eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen den Gasgemischtank oder einen der mindestens zwei Tanks mit Methan als kohlenstoffhaltige Gaskomponente vorzusehen, um die Zerstäubungsbeschichtungs- Plasma-Gasatmosphäre zu verwirklichen.

Eine weitere vorteilhaften Ausführungsfarm der erfindungsge mäßen Vorrichtung umfaßt separat einen Tank mit Argon und einen Tank mit Methan, wobei diese Vorrichtung mit einer steuerbaren Mischeinrichtung versehen ist, womit der Vakuum kammer eine Gasmischung aus den zwei Tanks zugeführt wird. Es wurde festgestellt, daß eine Gasmischung zum Zerstäuben der besagten Komponente mit 3 bis 10% Methan, vorzugsweise mit um 5% Methan, zu einer verbesserten Prozeßzeit, sowie einer ver besserten Haftung und Stabilität gegen Umwelteinflüsse führt.

Es wird weiter vorgeschlagen, um an der Vorrichtung eine hohe Ausstoßrate an Werkstücken zu realisieren, diese mit einer Zeitgebereinheit zu versehen, und die Einrichtung zum Zufüh ren und zum Entfernen des Werkstückes in einer Zeitspanne zwischen dem Einführen und Entfernen in und aus der Vakuum kammer von weniger als 10 Sekunden anzusteuern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischer Querschnitt einer Vorrichtung ge mäß der Erfindung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens, insbesondere zur Herstellung von optischen Speicherscheiben gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer bevorzugten er findungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausfüh rungsform.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine sehr einfache Konfiguration einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren realisiert wird, insbesondere zum Erzeugen von optischen Speicherscheiben aus PMMA-Material gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Die Vorrichtung umfaßt eine Vakuumkammer 2, an welcher eine magnetfeldunterstützte Zerstäubungsquelle, z. B. eine Planarmagnetronquelle 1 vakuumdicht angeordnet ist. Die Vakuumkammer 2 umfalt weiter gegenüber dem Target 2a der Planarmagnetronquelle 1, eine Zugriffsöffnung 7, durch welche ein einzelnes Kunststoffmaterial-Werkstück 4 in die oder aus der Vakuumkammer 2 eingeführt bzw. entfernt wird.

Um das Werkstück 4 aus Kunststoffmaterial zu handhaben, ist eine angetriebene Hebeeinrichtung 3 vorgesehen. Zum Einführen des Werkstücks 4 in die Vakuumkammer 2 wird die Hebeeinrich tung 3 in Richtung "cl" hochgeführt, womit auch ein vakuum dichter Verschluß die Öffnung 7 erreicht wird.

Eine Pumpeneinheit 5 ist über ein Steuerventil 6 mit dem In neren der Kammer 2 verbunden. Eine Gaseinlaßanordnung 8, die mit dem Inneren der Kammer 2 in Verbindung steht, ist mit einem ersten Gastank 10 und einem zweiten Gastank 12 über jeweilige Steuerventile V₁₀ und V₁₂ verbunden.

Die Hebeeinrichtung 3 wird durch eine Antriebseinrichtung 14 - beispielsweise einen pneumatischen Antriebszylinder - angetrieben, welche durch eine steuerbare Zeitgebereinheit 16 zeitgesteuert wird.

Die Gastanks 10 und 12 enthalten Gase, die ermöglichen eine Gasmischung aus Argon und kohlenstoffhaltigem Gas in das Innere der Vakuumkammer einzuführen, wobei die Vakuumkammer aus der Kammer 2, Magnetron-Zerstäuberquelle 1 und Schließeinrichtung 3 gebildet wird. Diese Gasmischung wird vorzugsweise in einem gewählten Verhältnis durch die Ventile V₁₀ und V₁₂ aus den jeweiligen getrennten Tanks 10 und 12 für Argon und das besagte Kohlenstoff enthaltende Gas gemischt. Es ist jedoch möglich, nur einen Gastank vorzusehen, welcher die Mischung aus Argon und dem kohlenstoffenthaltenden Gas bereits enthält, und wobei der Masse-Fluß 2b der Gasmischung pro Zeiteinheit, welcher in die Vakuumkammer geführt wird, mit Hilfe eines einzigen Steuerventils (nicht gezeigt) bemessen wird.

Die bevorzugte Betriebsart dieser Vorrichtung gemäß Fig. 1 zum Herstellen optischer Speicherscheiben, welche ein PMMA- Substrat bzw. -Scheibenkörper als Werkstück 4 umfassen und mit einer Metallschicht, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichtet sind, wird nun beschrieben.

Das Target 2a der Planarmagnetron-Zerstäuberquelle 1 besteht aus dem Metall, welches auf dem PMMA-Substrat 4 abgelagert werden soll, wobei Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ein bevorzugtes Material darstellt. Zuerst wird die Hebeeinrich tung 3 in Richtung "op" gemäß Fig. 1 abgesenkt und das PMMA- Substrat 4 wird, vorzugsweise durch eine Robotereinrichtung, an der Hebeeinrichtung 3 abgelegt.

Wegen der Anforderungen bzgl. der Reinheit der Atmosphäre in der Vakuumkammer 2 wird die Hebeeinrichtung 3 nicht in die umgebende Atmosphäre angehoben, sondern öffnet die Öffnung 7 der Behandlungsvakuumkammer 2 in eine weitere Vakuumkammer, welche schematisch in Teilen ihrer Wand 2c in Fig. 1 gezeigt ist. Die Hebeeinrichtung 3 kann Teil einer Handhabungs- und Verteileinrichtung in der Vorkammer 2c bilden, durch welche mehr als eine Behandlungskammer 2 mit zu beschichtenden Substraten 4 bedient wird. Solche Behandlungskammern in Ver bindung mit der Vorkammer 2c können noch andere Behand lungskammern umfassen, wie beispielsweise eine Heizkammer oder die Vorkammer 2c kann selber zum Entgasen des Substrates ausgebildet sein. Die Evakuierung der Vorkammer, welche durch die Wände 2c gebildet ist, kann durch dieselbe Evakuierungs pumpe 5 wie die Kammer 2 oder durch eine eigens dafür vorgesehene Evakuierungsvorrichtung durchgeführt werden. Zu sätzlich kann die Gaseinlaßanordnung 8 verwendet werden, um die Kammer 2 zu spülen, sobald die Hebeeinrichtung 3 von ihrem Sitz an Öffnung 7 rückgeholt ist, um so zu verhindern, daß die Atmosphäre in der Vorkammer 2c die Behandlungsatmo sphäre in Kammer 2 beeinflußt.

In einem zweiten Schritt wird die Einrichtung 3 in Richtung "cl" unter der Steuerung der Zeitgebereinheit 16 geschlossen und durch die Antriebseinrichtung 14 angetrieben, welche Teil einer Handhabungseinrichtung in der Vorkammer sein kann, wie beispielsweise ein Antrieb für eine bestimmte Hebeeinrichtung 3 eines Hebeeinrichtungs-Sternes, der gesteuert in der Vorkammer dreht, um zwei oder mehrere Öffnungen durch einen oder durch mehrere Hebearme zu bedienen. Das Vorsehen einer drehbaren Sternanordnung 3b mit einer Dreiarmhebeeinrichtung ist schematisch in Fig. 1 gestrichelt gezeigt. Nach dem Verschließen des Inneren der Kammer 2 durch die Aufwärtsbewegung der Hebeeinrichtung 3, welche mit einem zu beschichtenden Substrat 4 geladen wurde, wird die Vakuumpumpeneinrichtung 5 betätigt, wodurch das Innere 2b der Vakuumkammer 2 auf das Betriebsdruckniveau von einigen Mikro bars abgepumpt wird.

Nach Erreichen des gewünschten Drucks wird Argon und Kohlen stoff enthaltendes Gas aus den Tanks 10 und 12 gesteuert durch die Ventile V₁₀ und V₁₂ eingeleitet. Wenn eine vorbe stimmte Gasmischung mit einem vorbestimmten Partialdruck und/oder ein vorbestimmter Betriebsdruck in der Kammer 2 er reicht ist, wird die elektrische Speisung für die Magnetron quelle 1 aktiviert und das Material des Targets 2a, nämlich Aluminium oder eine Aluminiumlegierung magnetranzerstäubt. Das im Gasgemischplasma, wobei das Gasmischungsverhältnis von Argon und kohlenstoffenthaltenden Gas, vorzugsweise Methan, vorzugsweise konstant gehalten wird.

Nachdem das Substrat 4 aus PMMA-Material mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierungsschicht oberflächenbeschichtet ist, kann die Evakuierungspumpe 5 gegebenenfalls abgeschaltet werden, wobei der Druck in der Vakuumkammer 2 beispielsweise auf Betätigung eines Lüftungsventils (nicht gezeigt) hin ansteigt. Danach wird die Einrichtung 3 in Richtung "op" in die Vorkammer unter der Steuerung der Zeitgebereinheit 16 abgesenkt.

Das Verhältnis von Argon und vorzugsweise Methan kann über einen weiten Bereich gewählt werden. Jedoch wurden sehr gute Ergebnisse mit einem Gasmischungsverhältnis von 3 bis 20 Vol.-% (beide Grenzen eingeschlossen) Methan in Argon erreicht, vorzugsweise von 3 bis 10 Vol.-% (beide Grenzen eingeschlossen) und noch mehr bevorzugt von ungefähr 5 Vol.-% Methan in Argon. Die Zeitgebereinheit 16, die zur Steuerung des Schließens und Öffnens der Einrichtungen 3 einstellbar ist, wird vorzugsweise für eine Zeitdauer zwischen dichtendem Schließen der Hebeeinrichtung 3 und Öffnen dieser Einrichtung zum Entfernen des nun beschichteten Werkstücks 4, von weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise von 5 bis 6 Sekunden eingestellt. Optische Speicherscheiben aus PMMA mit Aluminium- oder einer Aluminiumlegierungs-Beschichtung, welche mit der oben beschriebenen Vorrichtung von Fig. 1 oder mit der Vorrichtung von Fig. 2, die später beschrieben wird, hergestellt wurden, erfüllen im vollen Umfang den IEC 856 und 857 Standard für bespielte optische Reflektionsvideoscheiben.

Eine Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2, die das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen insbesondere von optischen Speicherscheiben ausführt, ist im wesentlichen wie die Vorrichtung von Fig. 1 aufgebaut, umfaßt nämlich ein Planarmagnetron 1, eine Vakuumkammer 2, und ein Metalltarget 2a, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zum Herstellen der erfindungsgemäßen PMMA optischen Speicherplatte auf dem PMMA Substrat 4.

Das Innere der Vakuumkammer 2 ist wieder mit der Evakuierungspumpe 5 über ein Steuerventil verbunden. Die Gasmischung wird weiter über einen Einlaß 8 zugeführt, sowie durch Steuerventile V₁₀ und V₁₂ von jeweiligen Tanks 10 und 12, die in Fig. 1 zu sehen sind, nicht aber in Fig. 2, oder von einem einzigen Gasmischungstank, über ein Bemessungssteuerventil.

Die Vorrichtung von Fig. 2 umfaßt eine Schleusenvorkammer 18, zum Laden von unbeschichteten PMMA-Substraten 4 in die Kammer 2 und zum Entladen von beschichteten PMMA-Substraten 4 aus dieser Kammer. Die Schleusenvorkammer 18 umfaßt Schleusenventile 20 und 22 und ist mit einer Schleusenpumpeinheit 24, über ein Steuerventil 26, verbunden. Sie ist mit einem zusätzlichen Gaseinlaß 28 versehen, welcher durch ein weiteres Steuerventil 30 gesteuert wird, welches als Lüftungsventil zum Fluten der Kammer 18 vor dem Öffnen des Ventils 20 dient.

Gemäß Fig. 2 geht das Beladen, Überführen und Entfernen des Werkstücks horizontal vor sich, doch kann es ebenso mit einer Vertikalkomponente oder ganz vertikal durchgeführt werden. Diese Bewegung kann linear, bogen- oder kreisförmig sein. In der Kammer 2 werden die Werkstücke, welche durch die Schleusenvorkammer 18 eingeführt werden, auf einen Träger 32 abgelegt.

Der Betrieb der Vorrichtung von Fig. 2 woran, wie für den Fachmann offensichtlich, eine Zeitgebereinheit in Analogie zur Einheit 16 von Fig. 1 vorgesehen ist, die das Zuführen der Werkstücke durch die Schleusenkammer 18 in die Kammer 2 und das Entfernen des Werkstückes 4 aus der Kammer 2 steuert, wird mit Hilfe von Robotertransporteinrichtungen durchge führt, wodurch der Transport der Werkstücke in und aus der Kammer 2 (nicht in Fig. 2 gezeigt) erfolgt. Solche Roboter transporteinrichtungen sind aus dem Stand der Technik wohlbe kannt.

Die Verarbeitung erfolgt in Analogie zur Verarbeitung, welche in Verbindung mit Fig. 1 erklärt wurde. Auch hier ist die wichtige Zykluszeit T zum Beschichten der PMMA-Substrate 4, welche in Hinsicht auf die Wirtschaftlichkeit des Produktionsausstoßes wichtig ist, unter 10 Sekunden gehalten und liegt vorzugsweise zwischen 5 und 6 Sekunden, wobei hier T definiert ist als die Zeit vom Eintreten in Ventil 20 bis zum Verlassen des Ventils 20, erst durch eine unbeschichtete, dann durch die beschichtete Scheibe.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Schleusenkammer 18, selbst nun wie schematisch in Fig. 2 gezeigt, ist in US Pa tent Nr. 5,017,073 von Balzers AG beschrieben, und durch Be zugnahme auf diese US-PS in die die Offenbarung der vorlie genden Beschreibung integriert.

Eine weitere bevorzugte Vorrichtung, welche erfindungsgemäß verwendet wird, ist in der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 41 17 969 A1 offenbart, die der US-Anmeldung Nr. 07/888 111 vom 26. Mai 1992, beide von Balzers AG, zugrunde liegt.

In der folgenden Tabelle sind die Charakteristiken der PMMA- basierenden optischen Speicherscheiben gemäß der Erfindung im Vergleich mit PMMA basierenden optischen Speicherscheiben, gemäß dem Stand der Technik hergestellt, aufgeführt.

Das erfinderische Verfahren erlaubt die Metallisierung von Laserscheiben in der Weise, daß die Normen IEC 856 und IEC 857 erfüllt sind mit einer Vorrichtung nach Fig. 2 oder mit einer Schleusenanordnung gemäß dem US-Patent 5 017 073, wie es oben erwähnt wurde oder wie schematisch in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wobei weniger als 10 Sekunden vom Laden einer unbeschichteten Scheibe in die Vorrichtung bis zum Verlassen der Vorrichtung durch die nun beschichteten Scheibe vergehen.

Das Endprodukt zeigt zudem eine überragende Stabilität gegen Umwelteinflüsse, was von großer Bedeutung ist. Dies soll anhand von Tabelle 1 gezeigt werden, anhand von Ergebnissen eines Vergleichs von Testwerten eines beschleunigten Umgebungstests für Proben von beschichteten Scheiben A bis C, welche vom Markt bezogen wurden. Die Proben D und E wurden durch Batch-Bedampfen unter Verwendung verschiedener PMMA- Sorten erstellt, Probe F nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 2 auf Scheiben aus dem selben PNMA-Material wie die Scheiben der Probe E.

In Zeile Δ SNR ist die Signal-Verminderung zu Rausch- Verhältnis der getesteten Scheiben zusammengestellt nach Ausführung des Umgebungstests, mit Bezug auf den Wert, welcher vor dem Umgebungstest erhalten wurde. In Zeile Δ pp ist die Reduktion des Laserfolgesignals (laser tracking signal) dargestellt, wiederum nach dem Umgebungstest mit Bezug zu diesem Wert vor dem Umgebungstest.

In der Zeile Δ BLER ist die Zunahme der Blockfehlerratenstö rung (black-error rate deterioratian) aufgelistet in Bezug zu dem Wert, der vor der Ausführung des Umgebungstests erzielt wurde. Alle Messungen wurden mit mindestens zwei der jeweiligen Scheiben und mit höchstens vier der jeweiligen Scheiben mit Mittelwertsbildung durchgeführt.

Das SNR ist definiert:
IEC 856, S. 29, 12.2.2
IEC 857, S. 31, 12.2.2

Der pp (push-pull tracking) ist definiert:
IEC 856 Änderungen, S. 3, 12.1.4 bis 12.1.4.5.2
IEC 857 Änderungen, S. 3, 12.1.4 bis 12.1.4.5.2.

Der BLER ist definiert:
IEC 856 Änderungen item 1, S. 2, 2.6 bis 2.6.3
IEC 857 Änderungen item 2, S. 2, 2.6 bis 2.6.3.

Der folgende beschleunigte Umgebungstest wurde verwendet:

Die Scheiben wurden getestet um das Vor-Umgebungstest- Verhalten zu bestimmen und dabei das Videosignal zu Rauschverhältnis, die Digital-Audio-Block-Fehlerrate und das Push-Pull-Tracking A-B-Signal für jede Scheibe vor dem Umgebungstest aufgenommen.

Die Scheiben wurden dann in eine Umgebungstestkammer einge führt und den folgenden Bedingungen ausgesetzt:
18 Stunden bei 70°C und 60% relative Feuchtigkeit;
8 Stunden bei Raumtemperatur und -feuchtigkeit;
228 Stunden bei 60°C und 90% rel. Feuchtigkeit.

Die Scheiben konnten sich dann bei Raumtemperatur und -feuchtigkeit für 24 Stunden stabilisieren, bevor das jeweilige Nach-Umgebungstesten durchgeführt wurde.

Tabelle 1

Abspielleistungsverschlechterung nach Umgebungstests

Zerstäubungsprozeß-Parameter:

Gesamtdruck
1,6 Pa (1,6 × 10^-2mbar)
Zerstäubungsleistung	18 kW
Zerstäubungszeit	5,5 sec
Strömungsverhältnis CH₄/Ar	5,8%

Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäß hergestellten PMMA-Scheiben eine beträchtlich höhere Stabili tät bei Umgebungsaussetzungen aufweisen. Die Verminderung ihrer Eigenschaften mit Bezug auf alle drei gemessenen Test parameter ist beträchtlich besser im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Scheiben, beispielsweise A bis E.

Claims

1. Verfahren zum Beschichten von Werkstücken aus einem Kunststoffmaterial mit einer metallischen Schicht in einer Vakuumkammer, mit Hilfe magnetfeld-unterstützter Zerstäubung einer überwiegenden Materialkomponente dieser Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zer stäubung in einer Gasatmosphäre aus einer Gasmischung von Argon und kohlenstoffhaltigem Gas ausgeführt wird, mindestens für die Dauer einer überwiegenden Zeitspanne des Beschichtens des Werkstücks mit der metallischen Schicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung als Magnetron-Zerstäubung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall oder eine Metallegierung zerstäubt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäuben in einer Argon/Methangasmischung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Gasmischung während der Beschichtung im wesentlichen konstant gehalten ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Vakuumkammer während der Beschichtung im wesentlichen konstant gehalten ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung 3 bis 20 Vol.-% Methan (beide Grenzen eingeschlossen), vorzugsweise 3 bis 10 Vol.-% Methan (beide Grenzen eingeschlossen), weiter vorzugsweise ungefähr 5 Vol.-% Methan enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leistung der Zerstäubung während der Beschichtung im wesentlichen konstant gehalten ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus PMMA-Material besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das PMMA-Werkstück als Speicherscheibe ausgebildet ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück als optische Speicherscheibe strukturiert ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichten weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise zwischen 5 und 6 Sekunden, dauert und zu beschichteten PMMA-optischen Scheiben führt, die die IEC 856 und 857 Normen erfüllen.

13. Optische Speicherscheibe aus PMMA mit einer Beschich tung aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch ma gnetfeld-unterstützte Zerstäubung in einer Gasatmosphäre einer Gasmischung mit Argon und kohlenstoffhaltigem Gas aufgebracht ist.

14. Scheibe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Magnetron-Zerstäubung aufgebracht ist.

15. Scheibe nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung in weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise in 5 bis 6 Sekunden aufgebracht ist und mit der IEC 856 und 857 Norm verträglich ist.

16. Vorrichtung zum Beschichten von mindestens einem Werk stück aus Kunststoffmaterial mit einer metallischen Schicht, gekennzeichnet durch
eine Vakuumkammer (2) mit mindestens einer magnetfeld- unterstützten Zerstäubungsquelle (1) für eine überwiegende Komponente der Schicht, wobei die Vakuumkammer (2) über steuerbare Gaszufuhreinrichtungen (8) mit mindestens einem Gasgemischtank (10, 12), welcher Argon und ein kohlenstoffhaltiges Gas enthält, oder mit mindestens zwei Tanks (10, 12) verbunden ist, die jeweils Argon und ein kohlenstoffhaltiges Gas enthalten,
eine Evakuierungspumpeneinheit (5),
eine Einrichtung (3) zum Zuführen von mindestens einem Werkstück in die Kammer und eine Einrichtung (3) zum Entfernen von mindestens einem Werkstück aus der Kammer,
einer Einrichtung (16) zum Steuern der Zerstäubungsquelle (1) und der Gaszufuhreinrichtung (8), so daß die Zerstäubungsquelle betätigt wird, wenn die Gaszufuhreinrichtung Argon und das kohlen stoffhaltige Gas in die Vakuumkammer eingelassen hat.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsquelle (1) ein Magnetron ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsquelle (1) ein Metall oder eine Metallegierungszerstäubungsquelle ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Tank (10) oder einer der beiden Tanks (10, 12) Methan enthält.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tank (12) Argon und ein Tank (10) Methan ent hält und weiterhin umfassend eine steuerbare Mischungseinrichtung (V₁₀, V₁₂), um ein Gas, welches in die Vakuumkammer (2) von den zwei Tanks zugeführt wird so zu mischen, daß eine Gasmischung mit 3-10 Vol.-% Methan (beide Grenzen eingeschlossen) vorzugsweise mit um 5 Vol.-% Methan entstehen.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gastank Argon und 3-20 Vol.-% Methan (beide Grenzen eingeschlossen) vorzugsweise 3- 10 Vol.-% (beide Grenzen eingeschlossen) Methan und weiter vorzugsweise mit um 5% Methan enthält.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitgebereinheit (16) vorgesehen ist, die die Einrichtung (3) und der Entferneinrichtung (3) so ansteuert, daß die Zufuhr und das Entfernen des Werkstücks in und aus der Kammer in weniger als 10 Sekunden erfolgt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsquelle eine Zerstäubungsquelle für ein hochreflektierendes Metall ist, vorzugsweise für Aluminium oder eine Aluminiumle gierung.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, mit mindestens einem Werkstück (4) darin, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück eine optische Speicherplatte aus PMMA ist.