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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich im Wesentlichen auf ein Verfahren zum Aufbringen
von Beschichtungen, die ein Trägermaterial
vor Verschleiß und
Abnutzung schützen.
Im speziellen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, um Trägermaterialien,
wie beispielsweise Kunststoffsonnenbrillengläser, optische Gläser, Strichcode-Scannerfenster
und gewerbliche Verschleißteile,
vor Kratzern und Verschleiß zu schützen.
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Hintergrund der Erfindung
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Nach
dem Stand der Technik gibt es eine Vielzahl von Methoden für das Beschichten
von Trägermaterialien,
um deren Funktionsfähigkeit,
beispielsweise die Lebensdauer, die Verschleißfestigkeit und ähnliche
Eigenschaften, zu verbessern. Als Beispiel dienen Kunststoffsonnenbrillengläser oder verschreibungspflichtiger
Kunststoff-Augenschutz. Da Kunststoff sehr leicht zerkratzt, werden
abriebfeste Beschichtungen auf den Oberflächen von Kunststoffgläsern aufgebracht.
Diese harten Außenbeschichtungen
erhöhen
die Nutzungsdauer der Gläser.
Um diese Beschichtungen marktfähig
zu machen, muss der Auftragungsvorgang dieser harten Beschichtungen
preiswert, verlässlich
und reproduzierbar sein.
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Kunststoffgläser, die
auf dem Markt für
optische Gläser
verkauft werden, sind meist mit Acryl und Polysiloxan tauchbeschichtet
(engl.: dip-coatings) oder schleuderbeschichtet (engl.: sein coatings).
Diese Beschichtungen erhöhen
signifikant die Abriebfestigkeit der Gläser im Vergleich zu unbeschichteten
Gläsern.
Dies ist besonders bei Polycarbonat der Fall, das sehr verschleißempfindlich
ist. Wie auch immer, eine verbesserte Verschleißfestigkeit von beschichteten
Gläsern
ist immer noch ein großes
Problem der Optik-Gläser-Industrie.
Das Ziel der Industrie ist es, Kunststoffgläser zu gewinnen, die dieselbe
Verschleißfestigkeit
wie Glasgläser
aufweisen. Derzeitige kommerzielle Kunststoffgläser haben eine Verschleißfestigkeitscharakteristik,
die, verglichen mit Glas, geringer ist. Deshalb muss man beim Kauf
von optischen Gläsern
zwischen Glas, das sehr verschleißfest aber schwerer, oder Kunststoff,
der leichter aber weniger verschleißfest ist, entscheiden.
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Für Kunststoffträgermaterialien,
einschließlich
optischer Gläser,
wurden andere Beschichtungen vorgeschlagen. Die meisten dieser Beschichtungen
sind sogenannte „Plasmapolymere”, die größtenteils
durch die Herstellung von Plasma aus Siloxan Precursor-Gasen produziert
werden. Die Trägermaterialien
werden dem Plasma ausgesetzt, aber nicht vorgepolt (engl.: biased),
um energetischen Ionenbeschuß zu
verursachen. Die Eigenschaft dieser Plasmapolymere ist oft nur marginal
besser als die der Polysiloxan- und Acrylschleuder- und – tauchbeschichtungen
und kommen nicht an die Eigenschaften von Glas heran. Diese Schichten
sind oft sehr weich und nicht für
Schutzbeschichtungen, außer
auf sehr weichen Trägermaterialien,
geeignet.
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Andere
Beschichtungsverfahren wurden vorgeschlagen, in denen energetischer
Ionenbeschuß verursacht
wurde, indem die Trägermaterialien
auf der angeschlossenen Elektrode in einem Hochfrequenz-(HF bzw.
RF)Plasmasystem montiert und die Proben dem Plasma ausgesetzt wurden,
wobei eine negative Vorspannung auf der Oberfläche des Trägermaterials gebildet wurde.
Die resultierenden Beschichtungen sind oft strapazierfester als
die „Plasmapolymere”. Allerdings
sind diese Plasmasysteme weder einfach auf den Durchsatz auszuweiten,
wie er für
eine Massenproduktion benötigt
wird, noch sind sie einfach in einem reproduzierbaren, kontrollierbaren
Rahmen einer Produktionsumgebung zu betreiben. Ein Nachteil des
HF-Plasmaverfahrens ist außerdem,
dass der Beschichtungsvorgang und die Eigenschaften der resultierenden
Beschichtung davon abhängen,
ob das Substrat, das beschichtet werden soll, ein elektri scher Leiter
oder Isolator ist. Darüber hinaus,
falls das Trägermaterial
ein Isolator ist, beeinflusst die Dicke des Trägermaterials stark die Energetik
des Auftragungsvorgangs und die Eigenschaften der resultierenden
Beschichtung. Das bedeutet, dass es für die Herstellung von Beschichtungen
auf nicht leitenden Trägermaterialien
mit unterschiedlicher Größe und Form,
beispielsweise Kunststoffgläser,
notwendig sein kann, verschiedene Beschichtungsverfahren für jede Art
von Trägermaterial
zu verwenden. Dies reduziert die Flexibilität des Verfahrens für die Verwendung
in der Serienfertigung. Darüber
hinaus sind Systeme mit Großflächenelektroden (engl.:
large area electrodes) weitgehend nicht erhältlich. Beispielsweise sind
Parallelplatten HF-Ablagerungssysteme,
die große
Elektroden aufweisen, d. h. mindestens 1 m im Durchmesser, kommerziell kaum
erhältlich.
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Die
folgenden Verweise bezeichnen Beschichtungsverfahren aus dem Stand
der Technik, bei welchen Plasmen in direktem Kontakt mit der Oberfläche des
Trägermaterials
verwendet werden:
Rzad et. al.,
U.S.
Patent Nr. 5,156,882 , beschreiben eine Methode, um einen
transparenten Kunststoffgegenstand so aufzubereiten, dass er eine
verbesserte Schutzschicht hat. Die Schutzschicht wird durch ein PECVD-Verfahren
(engl.: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) aufgetragen.
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Balian
et. al.,
U.S. Patent Nr. 5,206,060 ,
beschreiben ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Auftragen dünner Schichten
auf ein Trägermaterial unter
Verwendung von PCVD-Technik. Das Trägermaterial muss leitfähig sein
und wird im PCVD-Verfahren
als Elektrode verwendet.
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Reed
et. al.,
U.S. Patent Nr. 5,051,308 ,
beschreiben ein verschleißfestes
Erzeugnis und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Erzeugnis
beinhaltet ein Kunststoffträgermaterial
und eine durch ein PECVD-Verfahren aufgebrachte abgestufte Beschichtung
(engl.: gradational coating)
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Devins
et al.,
U.S. Patent Nr. 4,842,941 ,
beschreiben ebenfalls ein verschleißfestes Erzeugnis und eine
Methode zur Herstellung desselben. Das Erzeugnis beinhaltet ein
Polycarbonatträgermaterial, eine
Grenzflächenbeschichtung
aus einer haftenden harz artigen Zusammensetzung auf dem Trägermaterial
und eine strapazierfähige
Schicht, aufgebracht auf dem Grenzflächenfilm durch PECVD.
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Brochot
et. al.,
U.S. Patent Nr. 5,093,153 ,
beschreiben ein beschichtetes Objekt, bestehend aus einem Glasträgermaterial,
das durch ein PECVD-Verfahren mit einer organomineralischen Schicht überzogen
wurde.
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Kubacki,
U.S. Patent Nr. 4,096,315 ,
beschreibt einen Niedrigtemperaturplasma-Polymerisationsprozess für das Beschichten
eines optischen Kunststoffträgersubstrates
mit einem einzigen Beschichtungsfilm, um die Lebensdauer des Kunststoffes
zu verbessern.
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Enke
et. al.,
U.S. Patent Nr. 4,762,730 ,
beschreiben ein PECVD-Verfahren für das Herstellen einer transparenten
Schutzbeschichtung auf der Oberfläche eines optischen Kunststoffträgermaterials.
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Alle
Plasma-Beschichtungsmethoden nach dem Stand der Technik für das Aufbringen
von strapazier- und verschleißfesten
Beschichtungen weisen den einen oder mehrere der folgenden Defizite
und Mängel
auf.
- (1) Problem der Vorreinigung des Trägermaterials vor
dem Beschichten;
- (2) Haftung der schützenden,
verschleißfesten Beschichtung;
- (3) Durchlässigkeit
der Beschichtungen für
Wasserdampf und Sauerstoff;
- (4) Herstellung von kohärenten,
dichten Beschichtungen;
- (5) Überwachung
der Beschichtungseigenschaften während
des Beschichtens und chargenabhängige
Veränderungen
der Beschichtungseigenschaften;
- (6) Überwachung
der Beschichtungsdicke und Reproduzierbarkeit der Dicke;
- (7) Steuerung einer Stück
für Stück und Charge für Charge
gleichbleibender Beschichtung;
- (8) Schwierigkeiten bei der Beschichtung von Trägermaterialien
mit komplexer Geometrie oder Aufbau; und
- (9) Fabrikationsreife und die Fähigkeit, das Beschichtungsverfahren
auf Massenproduktion auszuweiten.
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Diese
Mängel
werden bei folgendem Überblick über die
zwei bevorzugten Methoden nach dem Stand der Technik für das Aufbringen
von verschleißfesten
Beschichtungen auf optischen Kunststoffträgermaterialien hervorgehoben:
Plasmapolymerisation und vorgepolte HF-Plasmaablagerung (engl.:
biased RF plasma deposition).
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Das
erste Problem, das bei beiden Methoden auftritt, ist das Problem
der Vorreinigung des Trägermaterials
vor dem Aufbringen der Haftschicht oder der strapazierfähigen Schicht.
Typischweise werden Substrate in Inertgas oder durch Glimmentladung (Plasma)
vor dem Beschichten vorgereinigt. Diese Vorreinigungstechnik hat
den Nachteil der niedrigen Reinigungsleistung und der Wiederverschmutzung des
Trägermaterials
durch weggeätzte
Verunreinigungen, die sich wieder auf dem Trägermaterial absetzen.
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Eines
der Schlüsselerfordernisse
für Schutzbeschichtungen
auf verschiedensten Substraten ist es, einschließlich bei der Optik, eine Schutzschicht gegen
Feuchtigkeit, Sauerstoff und andere Umweltteilchen zur Verfügung zu
stellen. Dies erfordert die Ausbildung einer Beschichtungsstruktur
mit optimaler atomarer Packdichte. Diese atomare Packdichte wird
durch starken Ionenbeschuss während
des Filmwachstums vergrößert, was
allerdings nicht leicht zu erreichen ist, oder durch die Plasmapolymerisationsmethoden
nach dem Stand der Technik verbessert.
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Bezüglich der
Steuerung der Beschichtungseigenschaften innerhalb eines einzelnen
Beschichtungsvorgangs und von Charge zu Charge ist es bekannt, dass
diese Steuerung bei der Plasmaablagerungsmethode schwer ist. Beim
Beschichten von elektrisch leitenden Trägermaterialien mit nicht leitenden
Beschichtungen durch die gepolte RF-Plasmatechnik, ist es bekannt, dass
bei einer Vergrößerung der
Beschichtungsdicke eine schrittweise Verringerung der Oberflächenpolung
(engl.: surface bias) auf dem wachsenden Film stattfinden wird;
siehe Meyerson et al.,
U.S. Patent
Nr. 4,647,494 , Spalte 6, Zeile 67 bis Spalte 7, Zeile 3.
Diese Verringerung resultiert in einer Veränderung der Eigenschaften der aufgebrachten
Beschichtung, mit Bezug auf Härte, Spannung
und Wasserstoffkonzentration.
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Da
die Größe und die
Form des einzelnen Teils, das beschichtet werden soll, und seine
Befestigungsmethode die Plasmauniformität und die Plasmadichte beeinflussen,
ist es bei der Verwendung der Plasmaablagerungsmethode nach dem
Stand der Technik schwierig, eine gleichmäßige Beschichtungsdicke bei
mehreren beschichteten Teilen eines einzelnen Beschichtungsvorgangs
vorherzusagen und zu steuern.
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Während die
Plasmaablagerungsmethoden hohe Beschichtungsraten ermöglichen,
ist es bei diesen Verfahren schwierig, die Beschichtungsraten, die Beschichtungsdicke
und die Beschichtungsuniformität über große Flächen hinweg
reproduzierbar zu steuern. Aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit der
Verarbeitungsparameter, wie beispielsweise Druck, Gasflussrate,
Energie und Trägermaterialvorspannung,
ist die genaue Steuerung der Beschichtungsdicke schwierig. Daher
ist es sehr kompliziert, Beschichtungsfilme mit einer Dicke geringer
als 0,1 μm
und mit einer Dickenabweichung zwischen den einzelnen Durchgängen von
weniger als ca. 10% herzustellen. Beim Aufbringen von optischen
Beschichtungen, besonders bei solchen, welche die Verwendung von
mehreren dünnen
Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wie beispielsweise Antireflexionsbeschichtungen,
erfordern, ist dies ein signifikanter Nachteil der Plasmaablagerungstechnik nach
dem Stand der Technik.
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Schließlich ist
es aufgrund der Anfälligkeit des
Plasmaablagerungsverfahrens in bezug auf die Trägersubstratgeometrie oft unmöglich, Proben
mit komplexer Geometrie oder Struktur zu beschichten. Beispiele
für eine
komplexe Geometrie beinhalten optische Gläser mit einer hohen Korrekturkraft,
deren Rand in einer Vielzahl von Formen bearbeitet sein kann, industrielle
Gießformen,
die dafür
verwendet werden, Kunststoffteile herzustellen und andere industrielle
Maschinenteile, einschließlich
Spindeln, Zahnräder
und Lager. In der Industrie geht die Tendenz dahin, viele dieser
industriellen Maschinenteile aus nicht leitenden Kunststoffen oder
Keramiken herzustellen. Diese elektrisch nicht leitenden industriellen
Maschinenteile sind durch Plasmaablagerungs verfahren nur schwer
gleichmäßig zu beschichten.
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Die
oben genannten Schwierigkeiten machen die Verwendung der Plasmaablagerungsverfahren
nach dem Stand der Technik in der Tat für die Massenproduktion von
schützenden,
verschleißfesten
Beschichtungen bei einer Vielzahl von Substraten sehr problematisch.
Es ist klar, dass ein verbessertes Verfahren für die flexible, reproduzierbare
und qualitativ hochwertige Massenproduktion von verschleißfesten
Beschichtungen seit langem gesucht wurde.
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Das
Ionenstrahl-Ätzen
und Beschichten vieler Materialien ist aus dem Stand der Technik
bekannt. Beispielsweise wird das Ionenätzen üblicherweise in der Halbleiterherstellung
verwendet. Ionenstrahlsysteme sind typischerweise regulierbarer
als HF-Plasmasysteme,
weil die Ablagerungs- und Ätzvorgangsparameter,
beispielsweise das Plasmapotential, die Substratvorpolung (engl.:
substrate bias), der Plasmastrom, der Gasfluss und der Kammerdruck
nicht so stark gekoppelt sind, wie es beim HF-Plasmaverfahren der Fall ist. Dies resultiert
in einem breiteren Verfahrensfenster und einer besseren Steuerung
der Ionenstrahlverarbeitung, im Vergleich zur Plasmaverarbeitung.
Darüber
hinaus sind Ionenstrahlablagerungsanlagen erhältlich, die dafür geeignet
sind, mehr als 0,645 m2 (1000 Quadratinches)
eines Trägermaterials
pro Charge zu bearbeiten. Man ist der Meinung, dass HF-Anlagen,
die an diese Größenordnung
herankommen, kommerziell nicht erhältlich sind. Die Kombination
aus einer höheren
Kontrollierbarkeit der Ionenstrahlverarbeitung und der Fähigkeit,
sie auf große
Flächen
auszuweiten, führt
zu einem Verfahren, das leichter zur Produktion herangezogen werden
kann und stabiler ist. Dagegen ist ein großer Nachteil des Ionenstrahl-Ablagerungsverfahrens
nach dem Stand der Technik, beispielsweise beim Aufbringen von DLC-Schichten,
die relativ geringe Ablagerungsrate, die zu langen Produktionszeiten
bei dicken Beschichtungen und daher zu hohen Herstellungskosten
führt.
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In
einem Artikel in „Clinical
Materials”,
Vol. 12, Seiten 237–244
(1993) beschreibt G. Dearnaley ein Verfahren, bei dem Niedrigdampfdruckmaterialien
(engl.: low vapor Pressure materials) auf der Oberfläche des
Produkts, das beschichtet werden soll, kondensiert werden und gleichzeitig
durch einen Hochenergiestickstoffionenstrahl beschossen werden.
In diesem Fall ist die nötige
Ionenenergie größer als
10 kV. Diese hohen Voltzahlen sind schwer zu kontrollieren und stellen
in einer Produktionsumge bung ein Problem dar. Darüber hinaus
sind die Beschichtungen, welche durch dieses Verfahren hergestellt
sind, undurchsichtig und für
Produkte, bei denen ein transparent beschichtetes Erzeugnis nötig ist,
nicht verwendbar.
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Kimock
et. al.,
U.S. Patente Nr. 5,135,808 ;
5,190,807 ;
5,268,217 , offenbaren direkte Ionenstrahlablagerungsverfahren
unter Verwendung von Kohlenwasserstoffgas oder Kohlenstoffdampf
für die Herstellung
von gegen abrasiven Verschleiß widerstandsfähigen Erzeugnissen,
welche Trägermaterialien
mit einer harten Außenbeschichtung
beinhalten, die im wesentlichen aus optisch transparentem diamantähnlichem
Kohlenstoff (DLC) besteht, nützlich für kommerzielle
Erzeugnisse wie optische Gläser, Sonnenbrillengläser und
Strichcodescanner-Fenster.
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Umriss der Erfindung
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Die
Erfindung stellt ein Herstellungsverfahren für schützende, verschleißfeste Beschichtungen auf
der Oberfläche
eines Trägermaterials
zur Verfügung,
wobei dieses Verfahren in Anspruch 1 angegeben ist.
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Dieses
Verfahren ist besonders nützlich
für das
Aufbringen einer verschleißfesten
Beschichtung auf die Oberfläche
eines optischen Kunststoffträgermaterials,
wie beispielsweise optische Linsen.
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Bei
dem Verfahren nach vorliegender Erfindung wird das Trägermaterial
zuerst chemisch gereinigt, um unerwünschte Stoffe und andere Verunreinigungen
zu entfernen. In einem zweiten Schritt wird das Trägermaterial
in eine Vakuumkammer gegeben, die Luft in dieser Kammer wird evakuiert
und die Oberfläche
des Trägermaterials
wird durch einen Strahl energetischer Ionen sputter-geätzt, um
das Entfernen von Restverunreinigungen, wie beispielsweise übrig gebliebene
Kohlenwasserstoffe und Oberflächenoxide,
zu unterstützen
und die Oberfläche
zu aktivieren. Nachdem die Trägermaterialoberfläche sputter-geätzt wurde,
wird unter Verwendung eines gewählten
Precursor-Gases per Sauerstoff-Ionenstrahlablagerung eine schützende,
verschleißfeste
Beschichtung aufgebracht. Die Ionenstrahl-abgelagerte Beschichtung
kann eine oder mehrere Schichten enthalten. Sobald die gewählte Dicke
der Beschichtung erreicht ist, wird der Beschichtungsvorgang auf
dem Substrat beendet, wird der Druck der Vakuumkammer auf atmosphärischen
Druck erhöht und
werden die beschichteten Trägermaterialien,
die eine verbesserte Verschleißfestigkeit
aufweisen, aus der Vakuumkammer entfernt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt amorphe, konforme, schützende und
verschleißfeste
Beschichtungen zur Verfügung,
die eine Kombination von Elementen beinhalten, welche aus der Gruppe
ausgewählt
sind, welche C, Si, H, O und N enthält. Im speziellen, sind die
Beschichtungen der vorliegenden Erfindung aus wenigstens einer der
folgenden Kombinationen von Elementen gewählt: Si und C; Si, C und H;
Si und N; Si, N und H; Si und O; Si, O und H; Si, O und N; Si, O,
N und H; Si, C und N; Si, C, H und N; Si, C und O; Si, C, H und
O; Si, C, O und N; und Si, C, H, O und N.
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Das
Verfahren für
das Aufbringen dieser Beschichtungen verwendet eine Ionenstrahlquelle,
die mit Precursor-Gasen operiert, die mindestens eine der folgenden
Kombinationen von Elementen aus der Gruppe bestehend aus Si und
C; Si, C und H; Si und N; Si, N und H; Si und O; Si, O und H; Si,
O und N; Si, O, N und H; Si, C und N; Si, C, H und N; Si, C und O;
Si, C, H und O; Si, C, O und N; und Si, C, H, O und N enthält. Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist besonders gut geeignet für das Herstellen von optisch
transparenten Beschichtungen mit einer genau bestimmten Härte, Spannung
und chemischen Zusammensetzung. Diese Eigenschaften machen die Beschichtungen
gemäß der vorliegenden Erfindung
ideal für
Kunststoffträgermaterialien,
wie beispielsweise Sonnengläser
oder optische Gläser. Beschichtungen,
die glasähnliche
oder quarzähnliche
Eigenschaften aufweisen, können
durch das vorliegende Verfahren hergestellt werden. Ebenso können durch
dieses Verfahren Beschichtungen, deren Eigenschaften denen von Siliciumcarbid,
Siliciumnitrid ähneln
und mit Wasserstoff und Sauerstoff angelagerte (engl.: hydrogenated
and oxygenated) Formen dieser Materialien hergestellt werden.
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Darüber hinaus
können
diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen
(engl.: diamondlike carbon coatings) durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung
hergestellt werden. Der Begriff „diamantähnlicher Kohlenstoff” bedeutet,
dass amorphe Materialien enthalten sind, die aus Kohlenstoff und
Wasserstoff zusammengesetzt sind, deren Eigenschaften denen von
Diamant ähnlich
sind, diese aber nicht kopieren. Einige dieser Eigenschaften sind
die hohe Härte
(HV = 1.000 bis 5.000 kg/mm2), geringer
Rei bungskoeffizient (ungefähr
0,1), Transparenz über den
größten Teil
des elektromagnetischen Spektrums und chemische Inertanz. Wenigstens
einige der Kohlenstoffatome in DLC sind in chemischen Strukturen,
die denen von Diamant ähnlich
sind, verbunden, allerdings ohne weitreichende kristalline Struktur.
Diese DLC-Materialien können
bis zu 50 Atomprozent an Wasserstoff enthalten. Die DLC Beschichtungen,
hergestellt durch die vorliegende Erfindung, sind hart, reaktionsträge und glatt,
und sind ideal für
die Verwendung in optischen als auch in vielen nicht optischen Anwendungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Weitere
Merkmale und Vorteile offenbaren sich in der folgenden und genaueren
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie
in der beiliegenden Zeichnung gezeigt:
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1 zeigt
eine grafische Darstellung einer veranschaulichten Ionenstrahl-Auftragungsvorrichtung,
welche verwendet wird, um beschichtete Trägermaterialien gemäß der vorliegenden
Erfindung herzustellen.
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Genaue Beschreibung der Erfindung
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung reduziert bzw. beseitigt im
wesentlichen die Nachteile und Mängel
in Zusammenhang mit den Techniken aus dem Stand der Technik, durch
die Bereitstellung:
- (1) für das Auftragen von hoch abriebfesten
Beschichtungen auf eine Vielzahl von Trägermaterialien, einschließlich Metalle,
Keramiken, Gläser und
Kunststoffe;
- (2) für
das Auftragen von optisch hochtransparenten, hochabriebfesten Beschichtungen
auf optisch transparenten Kunststoffträgermaterialien, beispielsweise
Linsen.
- (3) für
das Auftragen von hochabriebfesten Beschichtungen, unabhängig von
der elektrischen Leitfähigkeit
und der Dicke des Trägermaterials;
- (4) für
das Aufbringen einer abriebfesten Schutzbeschichtung auf die Oberfläche des
Trägermaterials,
wobei die Schichtdicke und die Gleichmäßigkeit der Beschichtung bis
zu einem hohen Maß an
Genauigkeit reproduzierbar überwacht
ist;
- (5) für
das Auftragen einer abriebfesten Beschichtung, das in höchstem Maße wiederholbar
und zuverlässig
ist;
- (6) ein Verfahren, das leicht auf große Bereiche skalierbar ist
und in bezug auf eine Massenproduktion einen hohen Durchsatz aufweist;
- (7) ein Verfahren, bei welchem das Trägermaterial nicht auf ein bestimmtes
Material oder eine Geometrie. beschränkt ist; und
- (8) für
den Schutz eines Trägermaterials
vor Abnutzung, Verschleiß und
Korrosionsschädigung während normalem
oder heftigem Gebrauch und für
die signifikante Verlängerung
der Lebensdauer des Trägermaterials.
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Unvorhergesehenerweise
wurde herausgefunden, dass das Ionenstrahlablagerungsverfahren für die Herstellung
von Beschichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung bemerkenswerte Eigenschaften bei einer Vielzahl von Trägersubstraten, vorzugsweise
optischen Weichkunststoffen, hervorbringt. Das bemerkenswerte Leistungsverhalten,
verglichen mit Verfahren aus dem Stand der Technik, ist das Ergebnis
einer Kombination der im folgenden genannten entscheidenden Eigenschaften
und Merkmale. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist dazu
in der Lage:
- (1) Beseitigen der Probleme des
Erzielens einer atomar sauberen Oberfläche durch Ionenätzen bzw.
Sputter-Ätzen
des Trägermaterials
unter Verwendung eines Ionenstrahls mit kontrollierter Form, Strom
und Energie. Die „Form” des Ionenstrahls
wird durch die Fokussierung des Strahls mit elektrostatischen oder
magnetischen Feldern gesteuert. Auf diese Weise kann der Strahl
effizient an das Trägermaterial
abgegeben werden, das dadurch unter höchster Ausnutzung veredelt wird.
Es wurde herausgefunden, dass die Steuerung des Ionenstrahlstroms
und der Strahlenergie standardisiert bis auf 1% genau erzielt wurde,
was in einer stark wiederholbaren und prognostizierbaren Abtragungsrate
der verschmutzten Oberflächenschicht
resultiert. Darüber hinaus
wird das Ionenstrahl-Sputter-Ätzverfahren
unter strengen Vakuumbedingungen durchgeführt, so dass Oxidation oder
Verunreinigung der Oberfläche
durch verbleibende Gase im Beschichtungssystem vernachlässigbar
sind. Schließlich
kann die Vorrichtungsgeometrie auf einfache Weise derart gestaltet
sein, dass die geätzten
Verunreinigungen sich auf den Wänden
der Vakuumkammer absetzen und sich nicht wieder auf der Oberfläche des
Teils, der Sputter-geätzt
wurde, absetzen.
- (2) Herstellen eines vorzüglichen
Haftungsvermögens
der durch Ionenstrahlablagerung hergestellten Schutzschichten durch
die Erzeugung einer atomar sauberen Oberfläche vor dem Auftragen der Beschichtung.
Bei den meisten Anwendungsfällen
enthält
die aufgetragene Schutzschicht Silizium. Bei den Anwendungsfällen, bei
denen die oberste Schicht kein Silizium enthält, kann das Haftungsvermögen durch
die Verwendung von siliziumhaltigen, haftungsfördernden Zwischenschichten
zwischen der oberen Beschichtung, beispielsweise einer DLC-Beschichtung,
und dem Trägermaterial
verbessert werden. Auf jeden Fall wird die Ionenstrahlablagerungsschicht
vorzugsweise sofort nach der Fertigstellung des Ionenstrahl-Sputter-Ätzens aufgebracht,
um eine größtmögliche Haftung
auf dem Substrat zu erzielen. Das Aufbringen der Schutzschicht(en),
sofort nach der Beendigung des Ionenstrahl-Sputter-Ätzschrittes,
minimiert die Möglichkeit
von Wiederverschmutzung der Sputter-geätzten Oberfläche durch
Gasrückstände oder
Verschmutzungen in der Vakuumkammer. Die siliziumhaltigen Schichten
beinhalten eine Vielzahl von amorphen Materialien, wie beispielsweise
Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Siliziumkarbid,
Siliziumoxykarbid, Siliziumcarbonitrid, das sogenannte Silizium-dotierte
DLC, sowie Mischungen und chemische Kombinationen derselben. Jede
der siliziumhaltigen Zwischenschichten kann auch Wasserstoff enthalten.
- (3) Das Steuern und Minimieren einer übermäßigen Druckspannung auf den
abgelagerten Beschichtungen durch das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung, ermöglicht
das Auftragen von äußerst haftenden
Beschichtungen.
- (4) Herstellung von hochdichten Ionenstrahlschutzbeschichtungen.
Das macht die Beschichtungen zu vorzüglichen Wasserdampf- und Sauerstoffsperren.
Die hohe Dichte der Ionenstrahlablagerungsbeschichtungen ist vermutlich
auf das hohe Maß an
Ionenbeschuß während des Filmwachstums,
verglichen mit den Verfahren aus dem Stand der Technik, zurückzuführen.
- (5) Herstellung einer Beschichtung, in der die Eigenschaften
sich nicht mit der Dicke ändern,
wie es bei dem HF-Plasmabeschichtungsverfahren aus dem Stand der
Technik vorkommt. Diese Eigenschaft wird dadurch erreicht, dass
das Ablagern der Beschichtung durch einen ladungsfreien Ionenstrahl
durchgeführt
wird. Die Ladungsfreiheit des Ionenstrahlablagerungsprozesses erlaubt
darüber
hinaus die Beschichtung von Teilen mit komplizierter Geometrie,
ohne dass dabei der Herstellungsprozess beeinflusst wird. Teile
von unterschiedlicher Geometrie können in einem einzigen Beschichtungsvorgang
ohne nachteiligen Effekt auf die Ablagerungsbedingungen beschichtet
werden. Beispielsweise können
Linsen verschiedener Größe und Form
einfach mit demselben Beschichtungsmaterial im selben Ablauf beschichtet
werden. Das einfache Befestigen der Trägermaterialien für das Beschichten
ist einer der bedeutendsten technischen Vorteile und ein besonderes
Merkmal der vorliegenden Erfindung.
- (6) Beschichten aller Teile eines Trägermaterials, die sowohl elektrisch
leitende als auch elektrisch isolierende Materialien enthalten,
mit derselben qualitativ hochwertigen Beschichtung. Im Falle von
Plasmaablagerungsverfahren, können DLC-Beschichtungen mit
verschiedenen Eigenschaften an verschiedenen Bereichen desselben Trägermaterials
abgelagert werden, abhängig
davon ob der Bereich, der beschichtet wird, ein elektrischer Leiter
oder ein elektrischer Isolator ist und abhängig von den elektrischen Verbindungen
zwischen dem Trägermaterial
und der Vakuumkammer. Die Leitfähigkeit
des Trägermaterials
hat keinen Einfluss auf die Güte
der Ionenstrahlablagerungsbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
was in scharfem Kontrast zu den Plasmabeschichtungsverfahren aus
dem Stand der Technik steht.
- (7) Erreichen minimaler Unterschiede zwischen den einzelnen
Chargen bezüglich
der Güte
der Beschichtungen. Das kommt daher, da die Herstellungsparameter,
wie beispielsweise die Ionenenergie, Ionenstromdichte, Gasdurchsatzrate
und der Druck in der Ablagerungskammer, bei dem Ionenstrahlablagerungsverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung weitgehend voneinander entkoppelt sind und weil jeder
dieser Herstellungsparameter genau geregelt und bis zu einem hohem Maß an Sicherheit
reproduzierbar ist, meistens bis hin zu einer Genauigkeit von 1%.
Darüber
hinaus ist die Beschichtungsdicke bei dem Herstellungsende leicht
zu definieren und zu reproduzieren.
- (8) Herstellung einer von Bauteil zu Bauteil gleichen Dicke,
wobei beispielsweise leicht eine Abweichung von weniger als 2% erreicht
werden kann. Dies ist möglich,
da das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung mit kommerziell erhältlichen
Trägermaterial-Befestigungen,
die eine Bewegung mit einschließen,
d. h. Rotation und/oder Planetenbewegung, kompatibel ist.
- (9) Einfaches Ausweiten bis hin zur Massenproduktion, da große Ionenstrahlquellen
kommerziell erhältlich
sind. Beispielsweise wurden kommerziell erhältliche 38 cm Ionenstrahlquellen
dazu verwendet, um DLC-Beschichtungen auf 4 Werkstückträgern mit
je einem Durchmesser von 457 mm (18 Inch), bei einer Dickenabweichung über alle
Platten von weniger als +/–2%,
aufzubringen. Ähnlich
Ionenstrahlquellen können
verwendet werden, um den Herstellungsvorgang gemäß der vorliegenden Erfindung
durchzuführen.
Plasmaablagerungssysteme für
das Aufbringen von abriebfesten Beschichtungen sind derzeit in dieser Größe nicht
kommerziell erhältlich.
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Die
Vorrichtung zum Durchführen
der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 1 schematisiert
dargestellt. Der Beschichtungsvorgang wird innerhalb einer Hochvakuumkammer 1 ausgeführt, die
nach dem Stand der Technik hergestellt wurde. Die Vakuumkammer 1 wird
bis in einen Hoch-Vakuum Bereich evakuiert, indem man zuerst mit
einer Grobvakuumpumpe (nicht gezeigt) und dann mit einer Hochvakuumpumpe 2 pumpt.
Die Pumpe 2 kann eine Diffusionspumpe, eine Turbomolekularpumpe,
eine Kryogenpumpe („Kryopumpe”) oder
eine der anderen aus dem Stand der Technik bekannten Vakuumpumpen
sein. Die Verwendung einer Diffusionspumpe mit einer kryogen-gekühlten Spule
für das
Pumpen von Wasserdampf ist eine bevorzugte Hochvakuumpumpenanordnung
für die
vorliegende Erfindung. Die Verwendung von Kryopumpen mit Kohlenstoffabsorptionsmitteln
ist etwas weniger vorteilhaft als die Verwendung anderer Hochvakuumpumpen,
weil solche Kryopumpen bei Wasserstoff einen geringen Pumpendurchsatz
aufweisen, der durch die Ionenstrahlquelle, verwendet im Verfahren
nach der vorliegenden Erfindung, produziert wird. Der geringe Förderdurchsatz
in Bezug auf Wasserstoff führt
dazu, dass das Adsorptionsmittel der Kryopumpen häufig erneuert
werden muss.
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Es
ist selbstverständlich,
dass der Herstellungsvorgang nach vorliegender Erfindung in einem Chargenvakuumablagerungssystem
ausgeführt
werden kann, in welchem die Hauptvakuumkammer nach Veredelung einer
jeden Charge evakuiert und atmosphärisch belüftet wird; einem Schleusenablagerungssystem
(engl.: load-locked deposition system), in welchem die Hauptvakuumablagerungskammer
die ganze Zeit unter Vakuum gehalten wird, die Chargen, die beschichtet
werden sollen, sich aber durch eine Vakuumluftschleuse in und aus
der Beschichtungszone bewegen; oder in einer in-line Vakuumablagerungskammer,
in welcher die Teile konstant von atmosphärischen, durch verschiedene
Druckstufen in die Ablagerungskammer und zurück über die verschiedenen Druckstufenzonen
wandern, bis sie wieder unter atmosphärischem Druck ankommen.
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Trägermaterialien,
die beschichtet werden sollen, werden auf dem Materialhalter 3 montiert,
der eventuell ein Kippen, eine einfache Rotation, eine Planetenbewegung
oder eine Kombination derselben ermöglichen kann. Für die Beschichtung
von Linsen können
gewölbte
planetare Trägermaterialhalterungen
verwendet werden. Der Trägermaterialhalter kann
vertikal oder horizontal oder in jedem Winkel dazwischen ausgerichtet
sein. Die vertikale Ausrichtung ist bevorzugt, um die teilweise
Verschmutzung des Trägermaterials
zu minimieren, aber wenn spezielle Vorkehrungen wie Niedrigturbulenzvakuumpumpen
oder die sorgsame Wartung der Kammer getroffen werden, kann das
Trägermaterial
in horizontaler Position montiert und durch die Schwerkraft an seiner Stelle
gehalten werden. Das horizontale Befestigen ist in Bezug auf das
Verarbeiten von kleinen Trägermaterialien,
die nicht leicht an einer Stelle eingespannt werden können, vorteilhaft.
Diese horizontale Anordnung kann auf einfache Weise durch die Rotation
der Zeichnung in 1 um 90° dargestellt werden.
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Vor
dem Ablagern werden die Trägermaterialien
mit einem energetischen Ionenstrahl, generiert durch die Ionenstrahlquelle
4,
Ionenstrahl-Sputter-geätzt.
Die Ionenstrahlquelle
4 kann jede aus dem Stand der Technik
bekannte Ionenquelle sein, einschließlich die Kaufmansche Gleichstromentladungs-Ionenquellen,
Hochfrequenz- oder Mikrowellenfrequenz-Plasmaentladungs-Ionenquellen,
Mikrowellen-elektronische Zyklotronresonanz-Ionenquellen, wobei
jede eine, zwei oder drei Gitter aufweist oder gitterlose Ionenquellen,
wie beispielsweise der Hall-Beschleuniger oder die End-Hall- Ionenquelle nach
dem
US-Patent Nr. 4,862,032 .
Die Ionenstrahlquelle ist durch das Einbringen von Elektronen in
den Strahl mit Hilfe eines Neutralisators (nicht gezeigt), der ein
thermionischer Heizfaden, eine Plasmabrücke, Hohlkathode oder ein anderer
aus dem Stand der Technik bekannter Typ sein kann, spannungsneutralisiert.
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Die
Ionenquelle 4 ist mit Einlässen 5 und 6 für das Einbringen
von Gasen direkt in die Ionenquellen-Plasmakammer versehen. Der
Einlass 5 wird für das
Einbringen von Inertgasen, beispielsweise Argon, Krypton und Xenon,
für das
Sputter-Ätzen
verwendet. Darüber
hinaus kann während
des Vorgangs des Sputter-Ätzens,
Sauerstoff über
den Einlass 6 zugegeben werden und eigenständig oder
gemischt mit einem Inertgas verwendet werden, um ein chemisch unterstütztes Sputter-Ätzen zu
ermöglichen, beispielsweise
bei Kunststoffträgermaterialien.
Während
des Beschichtungsaufbringens können
die reaktiven Gase mit einem Inertgas gemischt werden, um die Eigenschaften
der resultierenden Beschichtung zu verändern und um die Konstanz der
Ionenquellen zu verbessern. Die reaktiven Gase werden von der Ionenquelle-Plasmakammer
entfernt und durch den Einlass 7 in den Ionenstrahl eingebracht. Der
Einlass 7 kann mehrere Löcher für das Einbringen von reaktiven
Gasen haben oder kann ein „Gasverteilungsring” sein.
Schließlich
können
die reaktiven Gase für
das Abscheiden, beispielsweise Sauerstoff und Ammoniak, am oder
nahe beim Substrat durch den Einlass 8 oder in den Kammerhintergrund durch
den Einlass 9 eingebracht werden. Die reaktiven Gase, eingebracht
durch den Einlass 8, verändern die Eigenschaften der
Beschichtung durch chemische Reaktion auf der Oberfläche der
Beschichtung beim Abscheiden.
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Darüber hinaus
können
verschiedene Ionenquellen
4 verwendet und simultan betrieben
werden, um die Abscheidungsrate und den Durchsatz der Beschichtungsmaschine
zu verbessern. Der Betrieb der Ionenquellen kann zeitlich aufeinander
abgestimmt werden, für
den Fall, dass von jeder Ionenquelle verschiedene Beschichtungsmaterialien
abgeschieden werden. Wie im Patent
U.S.
4,490,229 beschrieben, kann eine weitere Ionenquelle (nicht
gezeigt) verwendet werden, die das Trägermaterial während des Beschichtungsauftragens
ebenfalls beschießt,
um die Filmeigenschaften zu modifizieren.
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Gemäß des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung wird das Trägermaterial erst chemisch gereinigt,
um Verschmutzungen aus dem Trägermaterialherstellungs-
und Bearbeitungsprozess, beispielsweise Kohlenwasserstoffverbindungen
und andere Verunreinigungen, zu entfernen. Das Ultraschallreinigen
in Lösungsmitteln
oder anderen aus dem Stand der Technik bekannten Reinigungsmitteln
ist dabei sehr effektiv. Die Einzelheiten des Reinigungsprozesses
sind abhängig
von der Art der Verschmutzung und der Rückstände, die auf dem Teil nach
der Herstellung und anschließendem
Bearbeiten verbleiben. Es hat sich gezeigt, dass es bei diesem chemischen Reinigungsschritt
entscheidend ist, die Verunreinigungen und Rückstände der Oberfläche zu beseitigen,
da ansonsten das resultierende Haftungsvermögen der Beschichtung sehr schlecht
sein wird.
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In
einem zweiten Schritt des Verfahrens, wird das Trägermaterial
in eine Vakuumkammer eingebracht, und die Kammer evakuiert. Typischerweise wird
die Vakuumkammer bis zu einem Druck von 1,33 mPa (1 × 10–5 Torr)
oder weniger evakuiert, um die Beseitigung von Wasserdampf oder
anderen Verunreinigungen des Vakuumssystems sicherzustellen. Jedoch
muss der erforderliche Vakuumgrad, der vor einer Initiierung des
nächsten
Schrittes erreicht werden muss, experimentell bestimmt werden. Der
exakte Vakuumgrad ist abhängig
von der Art des Trägermaterials,
der Sputter-Ätzrate,
der vorhandenen Bestandteile an Gasrückständen in der Vakuumkammer und
den Eigenheiten des Beschichtungsvorganges. Es ist nicht wünschenswert,
bis zu einem niedrigeren Druck als nötig zu evakuieren, da das den
Vorgang verlangsamt und den Durchsatz des Beschichtungssystems verringert.
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In
einem dritten Schritt des Verfahrens wird die Oberfläche des
Trägermaterials
mit einem Strahl energiereicher Ionen eines Ionenstrahls beschossen, um
die Beseitigung von Verunreinigungsrückständen, beispielsweise Wasserstoffrückstände, Oxidbeläge und andere
Verunreinigungen, zu unterstützen, die
im ersten Schritt nicht beseitigt worden sind, und um die Oberfläche zu aktivieren.
Mit dem Begriff „Ionenstrahl” ist ein
Strahl von Ionen gemeint, gebildet von einem Plasma, das vom Trägermaterial
entfernt liegt. Die Ionen können
aus dem Plasma durch eine Vielzahl von Techniken extrahiert werden,
die folgende Verfahren beinhalten aber nicht auf sie beschränkt sind:
Verwendung von elektrostatischen Gittern, die derart vorgepolt (engl.:
biased) sind, so dass sie die Extraktion von positiven Ionen unterstützen, beispielsweise
eine Kaufmansche Ionenquelle, oder magnetische Felder, die mit elektrostatischen
Feldern gekoppelt sind, beispielsweise End-Hall-Ionenquellen oder
Hall-Beschleuniger. Nach der Extraktion werden die Ionen aufgrund
des Potentialunterschiedes zwischen der Ionenquelle (Plasma) und
den Proben, der typischerweise auf oder nahe Erdpotential liegt,
von der Ionenquelle in Richtung des Trägermaterials gerichtet. Der
Ionenstrahl ist typischerweise durch Elektronen, die er von einer
Vielzahl von möglichen
Quellen, beispielsweise einem Glühdraht (engl.:
thermionic hot filament), einem Plasmabrücken-Neutralisator oder einer
Hohlkathode, gewinnt, ladungsneutralisiert. Die Ladungsneutralisation
des Ionenstrahls erlaubt die Verarbeitung von einem elektrisch nicht
leitenden Trägermaterial
in einer sehr beständigen
Art und Weise, da das Potential des Trägermaterials aufrechterhalten
wird. Die typischen Drücke
in der Ablagerungszone um das Trägermaterial
der vorliegenden Erfindung liegen im Bereich von 0,13 bis 666,5
mPa (10–6 bis
5 × 10–3 Torr),
so dass Ionengaskollisionen (engl.: iongas collisions) minimiert
werden können,
und gleichzeitig der hochenergetische Ionenbeschuss der Oberfläche beibehalten werden
kann, was für
die Bildung von dichten, harten Beschichtungen wichtig ist. Dieses
Sputter-Atzen der Oberfläche
des Trägermaterials
ist nötig,
um ein hohes Haftungsvermögen
zwischen der Oberfläche
des Trägermaterials
und dem/den Beschichtungsfilm(en) zu erreichen. Das Sputter-Ätzen kann
mit Inertgas, beispielsweise Argon, Krypton und Xenon, ausgeführt werden.
Darüber
hinaus können
Wasserstoff oder Sauerstoff dem Ionenstrahl zugefügt werden, um
bei der Aktivierung der Oberfläche
zu helfen. Das Sputter-Ätz-Quellgas
kann auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Wegen eingebracht werden,
u. a. direktes Einbringen in die Plasmakammer des Ionenstrahls,
Einbringen in der Nähe
des Ionenstrahls aber nicht direkt in den Ionenstrahl, beispielsweise
durch den Einlass 7, oder das Einbringen an einer Stelle, die
von der Quelle entfernt liegt, wie beispielsweise der Gaseinlass 9 im
Hintergrund der Vakuumkammer. Typischerweise ist die Ionenstrahlenergie
größer als
20 eV, um einen wirkungsvollen und schnellen Ionensputter-Ätzvorgang zu erreichen. Es
können
Ionenenergien bis zu 2000 eV verwendet werden, allerdings ist bei
Ionenstrahlenergien geringer als 500 eV die Beschädigung des
Trägermaterials
auf atomarer Ebene am geringsten.
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Sofort
nach dem Sputter-Ätzen
der Oberfläche
des Trägermaterials
wird ein Beschichtungsfilm auf das Trägermaterial durch einen Ionenstrahl,
der zwei oder mehr der Elemente C, Si, H, O, N oder Untergruppen
dieser Elemente enthält,
abgelagert. Die ser Ionenstrahl wird dadurch gebildet, indem Precursor-Gase,
bestehend aus zwei oder mehr Elementen der Gruppe C, Si, H, O, N
oder Untergruppen dieser Elemente, vom Ionenquellenplasma entfernt,
einbringt. Diese Precursor-Gase können mit anderen Inertgasen,
beispielsweise Argon, vermischt sein. Die Precursor-Gase werden
im Ionenstrahl selber einer „Aktivierung” unterzogen. „Aktivierung” beinhaltet beispielsweise
einfache Elektronenanregung, Ionisation, chemische Reaktion mit
anderen Arten, Ionen und Neutralteilchen, die elektronisch angeregt
sein können,
und Zerlegung in einfache ionische oder neutrale Arten, die elektronisch
angeregt sein können.
Ionen werden vom entfernt liegenden Plasma extrahiert, um einen
Ionenstrahl zu erzeugen, der durch die Zugabe von Elektronen spannungsneutralisiert
ist. Einige dieser aktivierten Precursor-Arten schlagen sich dann
auf der Oberfläche
des Substrates nieder, das beschichtet werden soll. Die Ionen treffen
die Oberfläche
mit einer Energie im Bereich von 20 bis 300 eV. Die Ionenaufprallenergie
hängt ab von
dem elektrischen Feld zwischen dem Entstehungspunkt des Ions und
der Probe und dem Energieverlust in Folge von Kollisionen, die zwischen
dem Ion und anderen Ionen oder neutralen Teilen, vor dem Aufprallen
des Ions auf das Trägermaterial,
auftreten. Die Neutralteilchen werden die Oberfläche mit unterschiedlicher Energie
treffen, die im Bereich von thermischen bis einigen hundert eV liegt,
abhängig vom
Ursprungspunkt des Neutralteilchens. Dieser hochenergetische Ablagerungsprozess
produziert hochgradig haftende, sehr dichte und harte Beschichtungen
auf der Oberfläche
des Trägermaterials.
Die Dichte, Härte
und andere Eigenschaften der Beschichtung hängen alle stark von der Energetik des
Ablagerungsprozesses sowie vom verwendeten Precursor-Gas ab.
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Das
Folgende beschreibt einige unterschiedliche Ausführungsformen einer Ionenstrahl
abgelagerten, abriebfesten Beschichtung. Im einfachsten Fall werden
die Bedingungen des Ablagerungsprozesses während des Beschichtungsvorgangs
nicht geändert,
was zu einer Einfachbeschichtung (engl.: single layer coating) führt. Die
Dicke dieses Films kann im Bereich zwischen 5 nm und 100 μm betragen,
abhängig
vom Grad des Abriebschutzes, der bei der Anwendung nötig ist.
Generell liefern dickere Beschichtungen eine größere Strapazier- und Verschleißfestigkeit.
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Im
zweiten Fall ist es wünschenswert,
viele Beschichtungen auf einem Trägermaterial zur Verfügung zu
stellen. Ein Beispiel hierfür
ist eine optische Linse aus Kunststoff mit einer entspiegelten Beschichtung.
Dafür wird
zuerst eine dicke, transparente Beschichtung abgelagert, um eine
Verschleißfestigkeit
zu gewährleisten.
Unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung,
werden Materialien mit unterschiedlichen Brechungseigenschaften
einfach durch die Variation der Ablagerungsbedingungen, wie beispielsweise
der Zusammensetzung des Precursor-Gases oder der Ionenstrahlenergie,
hergestellt. Durch das Abwechseln von Schichten mit einer bestimmten
Dicke und einem ausreichend verschiedenen Brechungsindex auf der Oberfläche der
dicken Schicht, wird eine entspiegelte Beschichtung hergestellt.
Der Bereich von geeigneten Schichtdicken und Brechungseigenschaften
ist aus dem Stand der Technik bekannt. Auf diese Weise wird ein
hoch verschleißfestes,
entspiegeltes Kunststoffglas hergestellt. Unter Verwendung der gleichen Beschichtungsart
mit unterschiedlichen Indices, kann man unter Verwendung der Techniken,
die aus dem Stand der Technik bekannt sind, spezielle reflektierende
Farben, beispielsweise Viertelwellen-Stapel (engl.: quarter-wave
stacks), entwerfen.
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Der
dritte Fall ist anwendbar in Situationen, in denen die harte, verschleißfeste oder
reibungsarme Schicht schlecht am Trägermaterial haftet. In diesem
Fall ist es wünschenswert,
eine erste Haftverstärkerschicht
oder Zwischenschicht zu verwenden. Solch eine Schicht kann verschiedene
Precursor-Gase oder verschiedene Ablagerungskonditionen nutzen,
um die chemische Verbindung der verschleißfesten oder reibungsarmen
Schicht auf dem Trägersubstrat
zu verbessern oder um die Filmspannung zu verringern, um das Haftungsvermögen des
Trägermaterials
zu verbessern. Deshalb muss die erste Schicht gut auf dem Trägermaterial
haften und anschließend
die verschleißfeste
Schicht gut auf der ersten Schicht haften. Für diesen Fall wird typischerweise
eine dünne
(weniger als 1 μm)
Haftvermittlungsschicht und darauf eine dicke (2 bis 100 μm) verschleißfeste Außenschicht
verwendet.
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Es
gibt andere Fälle,
in denen eine dicke, verschleißfeste
Schicht gut auf einem Trägermaterial haftet,
es aber in der ein oder anderen Eigenschaft, beispielsweise der
Reibungsarmut, mangelt, so dass eine oder mehrere zusätzliche
Deckbeschichtungen nötig
sind. Ein Beispiel dieser Situation ist bei Kimock et al.,
US Patent Nr. 5,268,217 ,
für gläserne strapazierfähig beschichtete
Strichcode-Scanner-Fenster, abgehandelt. Für dieses Produkt wird ein dickes,
hartes, Siliziumoxynitrid-Beschichtungsmaterial verwendet, das unter
den meisten Bedingungen verschleißfest ist. Falls ein Stück Glas über die
Siliziumoxynitrid-Beschichtung gerieben wird, bleibt in Folge der hohen
Reibung zwischen Glas und Siliziumoxynitrid ein Glasabrieb auf der
Oberfläche
der Beschichtung zurück.
Wenn eine dünne
Schicht von reibungsarmem DLC oder einem anderen reibungsarmen Material über dem
Siliziumoxynitrid abgelagert wird, hinterlässt das Reiben mit Glas auf
der Oberfläche
keinen Abrieb. Die vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden,
eine Haftschicht, eine dicke widerstandsfähige Schicht, beispielsweise
ein Siliziumoxynitrid, und die reibungsarme DLC-Abschlussschicht
abzulagern. Darüber
hinaus kann das DLC auch mit anderen bekannten Methoden abgelagert werden.
Es können
schließlich
auch andere reibungsarme Abschlussbeschichtungen, wie beispielsweise
Bornitrid, Zinnoxid, Indium-Zinnoxid, Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid,
verwendet werden.
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DLC
ist ein besonders widerstandsfähiges Material.
Deshalb ist DLC eine bevorzugte Beschichtung, wenn eine extrem harte,
reaktionsträge
und widerstandsfähige
Beschichtung nötig
ist. Es wurde herausgefunden, dass die Ablagerung von einem Zwischenschichtmaterial,
das Siliziumatome enthält,
auf dem Trägermaterial,
vor dem Ablagern der DLC-Schicht, in einer höchst haftungsstarken DLC-Beschichtung
mit hervorragender Strapazierfähigkeit
resultiert. Man ist derzeit der Meinung, dass die Reaktion zwischen
den Siliziumatomen in der Zwischenschicht und den Kohlenstoffatomen
in der DLC-Schicht entscheidend für das hervorragende Haftungsvermögen der
DLC-Beschichtung
ist. Ein direktes Ionenstrahlablagern von Zwischenschichten, die
Silizium und eines oder mehrere der Elemente Wasserstoff, Sauerstoff,
Kohlenstoff und Stickstoff enthalten, kann bei der vorliegenden
Erfindung vollzogen werden. Die Dicke dieser Zwischenschichten liegt
typischerweise im Bereich von 1 nm bis 1 μm Dicke.
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Die
siliziumhaltigen Schichten nach vorliegender Erfindung, die eingangs
erwähnt
worden sind, enthalten die folgenden Elementkombinationen: Si und
C; Si, C und H; Si und N; Si, N und H; Si und O; Si, O und H; Si,
O und N; Si, O, N und H; Si, C, H und N; Si, C, H und O; Si, C und
N; Si, C und O; Si, O, C und N; und Si, C, H, O und N beziehen sich
auf die Bezeichnungen amorphes Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid
und Siliziumoxynitrid und deren Gemisch und deren chemischer Verbindungen
wie beispielsweise „Siliziumcarbonitrid”, „Siliziumoxycarbid”, und „Siliziumoxycarbonitrid”. Bei „Siliziumcarbid” wird davon
ausgegangen, dass Materialien enthalten sind, die sich aus den Elementen
Silizium und Kohlenstoff und möglicherweise
Wasserstoff zusammensetzen. Stöchiometrische
und nicht stöchiometrische
Mengen von Silizium und Kohlenstoff sind bei der Definition von
Siliziumcarbid-haltigen Material eingenommen. Bei „Siliziumnitrid” wird davon
ausgegangen, dass Materialien enthalten sind, die sich aus den Elementen
Silizium und Stickstoff, und möglicherweise
Wasserstoff zusammensetzen. Bei der Definition von Siliziumnitrid-haltigem
Material sind stöchiometrische
und nicht stöchiometrische
Mengen von Silizium und Stickstoff enthalten. Unter „Siliziumoxid” versteht
man Materialien, die aus den Elementen Silizium und Sauerstoff und
möglicherweise
Wasserstoff zusammengesetzt sind. Bei „Siliziumoxynitrid” geht man
davon aus, dass Materialien enthalten sind, die sich aus den Elementen
Silizium, Sauerstoff und Stickstoff und möglicherweise Wasserstoff zusammensetzen.
Materialien, die unter die chemische Formel SiOxNyHz fallen, betrachtet
man als definitionsgemäß Siliziumoxynitrid-haltige
Materialien. Die amorphen Siliziumoxycarbide (Si, O, C, H) und Siliziumoxykarbonitride
(Si, O, C, N und H), abgelagert bei dem Verfahren nach der vorliegenden
Erfindung, sind vor allem als verschleißfeste Beschichtungen für Kunststoffträgermaterialien
von Vorteil.
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Es
ist von Vorteil, die DLC-Schicht sofort nach der Ablagerung der
Haftverstärkungsschicht aufzutragen,
um die Möglichkeit
der Wiederverschmutzung der Zwischenschichtoberfläche durch Gasrückstände der
Vakuumkammer oder andere Verschmutzungen zu minimieren. Die Dicke
der Ionenstrahl-abgelagerten DLC-Beschichtung kann zwischen 5 nm
(50 Ǻ) und 100 μm
(100 Mikrometer) liegen. Dünnere
DLC-Beschichtungen
im Bereich von 5 nm sind hilfreich, wenn die Hauptaufgabe der DLC darin
besteht, eine reibungsarme Oberfläche oder einen chemischen Schutz
zu gewährleisten.
Dickere DLC-Schichten sind nützlich,
wenn ein vielseitiger Verschleißschutz
nötig ist.
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Verschiedene
Ionenstrahlablagerungsmethoden können
für die
Bildung der DLC-Beschichtungen
nach vorliegender Erfindung verwendet werden, einschließlich das
direkte Ionenstrahlablagern und das direkte Ionenstrahlablagern
unter Mithilfe von Ionen, wie in dem oben beschriebenen
US-Patent Nr. 4,490,229 .
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Aus
Gründen
der Einfachheit des Verfahrens, der schnellen Ablagerung und der
problemlosen Ausweitung auf eine Massenproduktion, ist das direkte
Ionenstrahlablagern von einer Kohlenwasserstoffgasquelle das am
meisten bevorzugte DLC- Ablagerungsverfahren
nach dieser Erfindung. Als Kohlenwasserstoffgasquelle sind Methane
oder Zyklohexane bevorzugt, andererseits können auch andere Kohlenwasserstoffgase
wie Acethylen, Butan und Benzol verwendet werden. Wasserstoff und
Inertgase, beispielsweise Argon, Krypton und Xenon, können in
das Plasma der Ionenquelle eingebracht werden, um die Eigenschaften
der DLC-Schicht zu verändern.
Die Ionenenergie, die beim DLC-Beschichtungsvorgang verwendet wird,
liegt im Bereich zwischen 20 eV bis 300 eV, um das Erhitzen des
Trägermaterials
während
des Ablagerns zu minimieren.
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Wenn
die gewählte
Dicke der obersten Beschichtungsschicht erreicht ist, wird der Ablagerungsvorgang
auf dem Trägermaterial
beendet, der Druck der Vakuumkammer wird auf atmosphärischen Druck
erhöht
und die beschichteten Trägermaterialien
werden aus der Vakuumkammer entfernt.
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Die
folgenden Beispiele verdeutlichen das überragende Leistungsverhalten
des Verfahrens dieser Erfindung. Die Beispiele dienen lediglich
zur Erläuterung
und schränken
den Umfang der Ansprüche in
keiner Weise ein.
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In
folgenden Beispielen wurde hinsichtlich der Lesbarkeit die Angabe
von Zahlen in Inch beibehalten. Es wird daran erinnert, dass 1 Inch
(1'') gleich 25,4 mm
entspricht.
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Beispiel A
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Zwei
2'' × 2'' × 0,125'' flache CR-39-Trägermaterialien, ein CR-39-Glas,
ein 2'' × 2'' × 0,125'' Polycarbonatträgermaterial und ein Si(001)-Wafer
mit einem Durchmesser von 3'' wurden in Isopropanol
ultraschallgereinigt, gefolgt von einem Trocknen mit Stickstoffgas.
Die Proben wurden auf einer Aluminiumscheibe mit einem Durchmesser
von 18'', mit Kaptontape
montiert und die Scheibe in einer Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl
befestigt, die anschließend
durch eine Diffusionspumpe mit einem Durchmesser von 10'' auf einen Druck von 5,9 mPa (4,4 × 10–5 Torr)
evakuiert wurde. Die Proben wurden durch einen Argon-Ionenstrahl,
gebildet in der End-Hall-Ionenquelle (verwendet im vorhergehenden
Beispiel) unter Verwendung von 10 cm3 Argongas,
das direkt in die Plasmakammer der Ionenquelle eingeleitet wurde,
für 5 Minuten
lang Sputtergeätzt.
Das Anodenpotential betrug 30 Volt, während der Strom bei 5,8 A lag.
Die Elektronenquelle für
die End-Hall-Ionenquelle war eine Hohlkathode, betrieben mit 3 cm3 Argongas. Nach dem Sputter-Ätzen des
Trägermaterials
wurde durch die Düse,
angeordnet ca. 1'' unterhalb der Ionenquelle,
16 cm3 Octamethylcyclotetrasiloxan in den
Argonstrahl eingeleitet. Das Anodenpotential betrug 58 V, während der
Anodenstrom bei 5,8 A lag. Nach einer Betriebszeit von 3,5 Minuten unter
diesen Bedingungen wurden 10 cm3 Sauerstoffgas
eingeleitet. Nach einer weiteren Betriebszeit von 30 Sekunden wurde
der Sauerstofffluss auf 30 cm3 erhöht. Nach
weiteren 30 Sekunden wurde der Sauerstofffluss auf 50 cm3 pro Minute erhöht. Nach weiteren 30 Sekunden
wurde der Sauerstofffluss auf 70 cm3 erhöht und das
Argon abgesperrt. Das Anodenpotential betrug 56 V und der Anodenstrom
lag bei 5,72 A. Der Kammerdruck betrug 193,3 mPa (1,45 × 10–3 Torr).
Das Ionenquellenplasma und der Ionenstrahl wurden 40 Minuten nach
dem ersten Einleiten von Octamethylcyclotetrasiloxan gelöscht. Die Kammer
wurde auf atmosphärischen
Druck gebracht und die Proben entfernt. Die Proben waren unter sichtbarem
Licht glasklar. Ungefähr
5,5 μm Beschichtung
wurden auf den Proben abgelagert.
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Die
Spannung der Beschichtung betrug 7,7 × 108 dynes/cm2. Die gemessene Eintrübung auf den CR-39 Proben betrug
weniger als 0,4%. Das 2'' × 2'' × 0,125'' große Stück beschichtetes CR-39 wurde
mit einem Taber-Abriebprüfer,
unter Verwendung einer Last von 500 g, mit CS-10E-Rädern (Gesamtbelastung
1 kg) geprüft.
Nach 500 Zyklen wurde eine Eintrübungsveränderung
von 0,65% festgestellt. Glas, das auf selbe Weise getestet wurde,
hat nach 500 Zyklen eine Eintrübungsveränderung
von 0,69%. Die Beschichtung enthielt Silizium, Sauerstoff, Kohlenstoff
und Wasserstoff (Si, O, C und H).
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Beispiel B
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Zwei
CR-39-Gläser
und zwei 2'' × 2'' × 0,125'' große CR-39 Stücke wurden in Isopropanol ultraschallgereinigt
und dann unter Verwendung von Stickstoffgas getrocknet. Die Proben
wurden auf einer Aluminiumscheibe mit 18'' Durchmesser
mit Kaptontape befestigt. Die Scheibe wurde in einer Vakuumkammer
aus rostfreiem Stahl befestigt, die durch eine 10'' Diffusionspumpe bepumpt wurde. Die
Kammer wurde auf einen Druck von 21 mPa (1,6 × 10–5 Torr)
evakuiert. Die Proben wurden unter Verwendung eines Argon-Ionenstrahls,
erzeugt in der End-Hall-Ionenquelle (verwendet im vorher gehenden Beispiel),
unter dem direkten Einbringen von 17,4 cm3 Argongas
in die Plasmakammer der Ionenquelle und einem Anodenpotential von
30 V und einem Anodenstrom von 4,22 A, für 5 Minuten lang Sputter-geätzt. Die
Elektronenquelle für
die End-Hall-Ionenquelle war eine Hohlkathode. Eine Blende wurde dann
zwischen der Ionenquelle und dem Trägermaterial platziert, um den
Ionenstrahl zu blockieren, und 100 cm3 Sauerstoffgas
wurden in die Plasmakammer der Ionenquelle eingeleitet, das Argongas
abgestellt und Octamethylcyclotetrasiloxan durch Düsen, angeordnet
ca. 1'' unterhalb der Ionenquelle,
in die Kammer eingelassen. Das Anodenpotential betrug 72 V und der
Anodenstrom lag bei 5,57 A. Der Druck während des Prozesses betrug
166,6 mPa (1,25 × 103 Torr). Nach 72 Minuten Betriebszeit unter
diesen Bedingungen wurde das Ionenquellenplasma und der Ionenstrahl
gelöscht
und die Kammer unter atmosphärischen
Druck gebracht sowie die Trägermaterialien
entfernt. Unter sichtbarem Licht waren die Proben glasklar. Die
Beschichtungsdicke betrug 7,6 μm und
die Druckspannung betrug 5,7 × 108 dynes/cm2. Die
Härte der
Beschichtung (gemessen durch Nanoindentation) betrug 3,4 GPa. Zum
Vergleich, die Härte
von Quarz, gemessen nach demselben Verfahren, beträgt 10 GPa.
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Beispiel C
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Zwei
2'' × 2'' × 0,375'' große Stücke gewöhnliches float-Glas wurden
in Isopropanol ultraschallgereinigt. Die Trägermaterialien wurden dann
auf einer Aluminiumscheibe mit Kaptontape montiert und die Scheibe
in einer Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl befestigt. Die Kammer
wurde auf einen Druck von 0,67 mPa (5 × 10–6 Torr)
evakuiert. Das Glas wird mit einem Argon-Ionenstrahl, erzeugt durch
eine End-Hall-Ionenquelle,
betrieben mit Argongas, das direkt in die Plasmakammer der Ionenquelle
eingeleitet wird, Sputter-geätzt.
Die Proben werden zwei Minuten lang bei einem Anodenpotential von
50 V und einem Anodenstrom von 5 A Sputter-geätzt. Die Elektronenquelle der
Ionenstrahlquelle ist eine Hohlkathode, betrieben mit Argon, und
der Kammerdruck beträgt
66,7 mPa (5 × 10–4 Torr).
Nach dem Sputter-Ätzen
wird das Argon abgestellt und 50 cm3 Sauerstoffgas
in die Plasmakammer der Ionenquelle eingeleitet. Darüber hinaus
werden 50 cm3 Silan durch eine Düse, 1'' unterhalb der Ionenquelle, eingeleitet. Das
Anodenpotential beträgt
50 V und der Anodenstrom 5 A. Diese Bedingungen führen zu
einer Ablagerung eines amorphen SiO2 ähnlichen
Films auf dem Trägermaterial.
Diese Bedingungen werden 3 Minuten aufrechterhalten. Dann werden
50 cm3 Ammoniakgas in die Plasmakammer der
Ionenquelle eingeleitet und der Sauerstoffgasfluss auf 5 cm3 reduziert. Das Anodenpotential beträgt 50 V
und der Anodenstrom 5 A. Diese Bedingungen führen zu einem Siliziumoxynitrid-ähnlichen
Beschichtungsmaterial auf dem Trägersubstrat.
Nach einer Betriebszeit von 2 Stunden unter diesen Bedingungen wird
der Gasfluss von Silan, Ammoniak und Sauerstoff abgestellt und 20
cm3 Methangas in die Plasmakammer der Ionenquelle
eingeleitet. Das Anodenpotential beträgt 50 V und der Kathodenstrom
5 A. Diese Bedingungen führen
zu einer DLC-Beschichtung auf dem Trägermaterial. Nach einer Betriebszeit
von 2 Minuten unter diesen Bedingungen wird das Ionenquellenplasma
und der Ionenstrahl gelöscht,
die Kammer unter atmosphärischen
Druck gebracht und die beschichteten Glasfenster entfernt. Die Gesamtdicke der
Beschichtung beträgt
5,5 μm und
enthält
Kohlenstoff, Silizium, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Unter
sichtbarem Licht erscheinen die Proben leicht bräunlich. Die Haftung, die Verschleißfestigkeit
und die chemische Widerstandsfähigkeit
der Beschichtung sind hervorragend.
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Das
obige Herstellungsverfahren nach Beispiel C produziert einen Glasträger mit
einer ersten Schicht eines amorphen Siliziumoxid-ähnlichen
Materials (Dicke geringer als 200 nm bzw. 2000 Ǻ), eine zweite
dicke Schicht eines amorphen Siliziumoxynitrid-Materials und eine dünne (20 nm bzw. 200 Ǻ) DLC-Abschlußschicht.
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Beispiel D
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Ein
Glas und ein polysiloxan-beschichtetes Polycarbonat Sonnenbrillenglas
wurden in Isopropanol ultraschallgereinigt und mit Stickstoffgas
trocken geblasen. Die Gläser
wurden auf einer Aluminiumscheibe mit Kaptontape montiert und in
einer Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl befestigt. Die Kammer ist
auf einen Druck von 0,67 mPa (5 × 10–6 Torr) evakuiert.
Die Proben werden mit einem Argon-Ionenstrahl, erzeugt durch eine
End-Hall-Ionenquelle (verwendet in den vorhergehenden Beispielen),
betrieben mit Argon, das direkt in die Plasmakammer der Ionenquelle
eingeleitet wird, mit einem Anodenpotential von 50 V und einem Anodenstrom
von 5 A, zwei Minuten lang Sputter-geätzt. Die Elektronenquelle für die Ionenstrahlquelle
ist eine Hohlkathode, betrieben mit Argongas. Nach dem Sputter-Ätzen wird
das Argon abgestellt und 50 cm3 Sauerstoff
direkt in die Plasmakammer eingeleitet und 50 cm3 Silan
durch eine Düse,
1'' unterhalb der Ionenquelle, eingebracht.
Das Anodenpotential beträgt
50 V und der Anodenstrom liegt bei 5 A. Diese Bedingungen führen zu
einer Ablagerung von amorphen siliziumähnlichem Material auf dem Substrat.
Nach einer Betriebszeit von 2 Minuten werden die Silan- und Sauerstoffgase
abgestellt und 20 cm3 Methangas direkt in
die Plasmakammer der Ionenquelle eingeleitet. Das Anodenpotential
beträgt
50 V und der Anodenstrom liegt bei 5 A. Diese Bedingungen produzieren eine
DLC-Beschichtung
auf der Oberfläche
des Trägermaterials.
Nach einer Betriebszeit von 10 Minuten wird das Ionenquellenplasma
und der Ionenstrahl gelöscht,
die Kammer auf atmosphärischen
Druck gebracht und die Gläser
entfernt. Die Gläser
haben unter sichtbarem Licht betrachtet eine goldbraune reflektierende
Farbe. Die Beschichtung hat exzellente Haftung, Verschleißfestigkeit
und chemische Widerstandsfestigkeit.
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Der
Herstellungsvorgang nach Beispiel D, der oben beschrieben ist, stellt
ein beschichtetes Sonnenbrillenglas mit einer 50 nm bzw. 500 Ǻ dicken Schicht
eines amorphen siliziumähnlichen
Zwischenschichtmaterials und einer 100 nm oder 1000 Ǻ dicken
Schicht aus DLC zur Verfügung.
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Beispiel E
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Zwei
flache 2'' × 2'' × 0,125'' CR-39 Trägermaterialien, ein CR-39-Glas,
ein 2'' × 2'' × 0,125'' großes Polycarbonat Trägermaterial,
ein im Durchmesser 8'' × 0,125'' dickes
Polycarbonat-Trägermaterial und
ein im Durchmesser 3'' großer Si(001)-Wafer wurden
in Isopropanol ultraschallgereinigt, gefolgt von einem Trocknen
mit Stickstoffgas. Die Proben wurden mit Kaptontape auf im Durchmesser
8,5'' großen Scheiben
befestigt und die Scheiben in einer Vakuumkammer aus rostfreiem
Stahl auf einem Planetenantrieb montiert, die anschließend auf
einen Druck von 0,67 mPa (5 × 10–6 Torr)
durch eine Diffusionspumpe mit einem Durchmesser von 10'' evakuiert wurde. Die Proben wurden
2 Minuten lang mit einem Argon-Ionenstrahl, erzeugt in einer End-Hall-Ionenquelle (verwendet
in den Beispielen zuvor), unter Verwendung von 3 cm3 Argongas,
das direkt in die Plasmakammer der Ionenquelle eingeleitet wird, Sputtergeätzt. Das
Anodenpotential betrug 50 V, während
der Strom bei 5,6 A lag. Die Elektronenquelle für die End-Hall-Ionenquelle
war eine Hohlkathode, betrieben mit 3 cm3 Argongas.
Nach dem Sputter-Ätzen
der Trägermaterialien
wurden ca. 16 cm3 Octamethylcyclotetrasiloxan
durch Düsen,
die ca. 1'' unterhalb der Ionenquelle
angeordnet waren, in den Argonstrahl eingeleitet. Das Anodenpotential
betrug 59 V, während
der Anodenstrom bei 5,8 A lag (Ionenstrahistrom ca. 1,5 A). Nach
einer Betriebszeit von 3,0 Minuten unter diesen Bedingungen, wurden
70 cm3 Sauerstoffgas in die Plasmakammer
der Ionenquelle eingeleitet und der Argonfluss auf 0,0 cm3 reduziert. Das Anodenpotential betrug 57
V und der Anodenstrom lag bei 5,79 A (Ionenstrahistrom ungefähr 1,5 A).
Der Kammerdruck betrug 186,6 mPa (1,4 × 10–3 Torr).
Das Ionenquellenplasma und der Ionenstrahl wurden 40 Minuten nach
dem ersten Einladen von Octamethylcyclotetrasiloxan gelöscht. Die
Kammer wurde unter atmosphärischen
Druck gebracht und die Proben entfernt. Unter sichtbarem Licht waren
die beschichteten Proben glasklar. Ungefähr 4,8 μm Beschichtung wurden auf den
Proben abgelagert.
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Die
Spannung der Beschichtung betrug 6,4 × 108 dynes/cm2. Die Zugspannung bis zu einer Mikrorissbildung
der Beschichtung wurde unter Verwendung einer „4-Punkt Biegetechnik” (engl.:
four point bend technique) bestimmt. Beschichtete Polycarbonatstücke, 1 cm × 10 cm,
wurden von der im Durchmesser 8''. großen Scheibe
geschnitten und in der 4-Punkt Biegevorrichtung montiert. Die Proben
wurden gebogen bis Mikrorisse in der Beschichtung beobachtet wurden.
Der Krümmungsradius
wurde gemessen und die Dehnung berechnet. Das Ergebnis zeigte, dass
die Dehnung bis zur Mikrorissbildung 2,1 bis 2,2% betrug.
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Die
Beispiele A, B und E zeigen, dass die vorliegende Erfindung optisch
hochtransparente, glasklare, spannungsarme, haftende, harte, verschleißfeste Beschichtungen,
die Silizium, Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff enthalten,
auf Kunststoffsubstraten mit einer hohen Ablagerungsrate herstellen
kann. Für
das Hochleistungsbeschichten dieser Materialien ist die End-Hall-Quelle,
aufgrund ihrer Fähigkeit
hohe Ionenstrahlströme
zu erzeugen, eine bevorzugte Ionenstrahlquelle. Darüber hinaus
werden diese hohen Ionenstrahlströme unter niedrigen Ionenstrahlenergien
gebildet, was in einer reduzierten Trägermaterialerhitzung und anderen vorteilhaften
Eigenschaften der Beschichtung resultiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden Beschichtungen, bestehend aus
Silizium, Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebracht, deren
Eigenschaften in Bezug auf ihre Nanoindentationshärte im Bereich
zwischen 2 und 5 GPa liegen und deren Zugdehnung bis zur Mikrorissbildung
größer als
ca. 1% beträgt.
Aufgebracht auf Kunststoffträgermaterialien
erreichen diese Beschichtungen Abriebfestigkeitstestergebnisse nach
T aber wie Glas. Diese Beschichtungen sind besonders bei Anwendungen,
in denen optische Kunststoffträgermaterialien
mit einem verbesserten Abriebschutz nötig sind (beispielsweise Kunststoffsonnenbrillen
oder optische Gläser)
nützlich.
Beispiel B zeigt, dass durch diese Erfindung ähnliche Beschichtungen hergestellt
werden können,
die Stickstoff enthalten.
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Die äußerst attraktiven
und einzigartigen Eigenschaften der Beschichtungen gemäß den Beispielen
A, B und E, sind die Härte,
die sehr viel größer als
die von Kunststoffen wie Polykarbonaten und CR-39 (typische Härte 0,2
bis 0,3 GPa) oder Polymer-Beschichtungen
ist, die hohe Flexibilität
und die hohe Zugdehnung bis zur Mikrorissbildung. In ihrer Gesamtheit
sind die Beschichtungen kein SiO2, sondern
enthalten eher signifikante Mengen an Kohlenstoff (> 5 Atomprozent) und
zeigen daher keinen Sprödbruchfehler,
wie er sich bei Glas oder Quarzbeschichtungen zeigt.
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Ein
einzigartiger Vorteil der Verwendung der Ionenstrahlmethode zum
Herstellen dieser Materialien, ist die Beziehung zwischen Spannung
und Härte.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass Spannung und Härte oft
stark voneinander abhängen.
Typischerweise gilt, je größer die
Druckspannung, desto härter
das Material. Im Fall von Si-O-C-H-Werkstoffen, hergestellt durch
das Injizieren von Siloxan-Precursor in den Sauerstoff-Ionenstrahl,
wurde unvorhergesehenerweise herausgefunden, dass durch die Erhöhung des
Sauerstoff-zu-Siloxan Precursor-Verhältnisses, die Härte der
Beschichtung erhöht
wurde, während
die Druckspannung gleichzeitig verringert wurde. Bei dieser Methode
ist es möglich,
harte verschleißfeste
Beschichtungen herzustellen, die unter Zugspannung oder nahezu spannungsfrei
sind. Das ist ein sehr unerwartetes Ergebnis für einen energetischen Ablagerungsvorgang
und ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung.
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Man
ist der Überzeugung,
dass die Reduzierung von Druckspannung unter Erhöhung der Härte, durch das Ätzen von
Kohlenstoff von der wachsenden Oberfläche infolge der Sauerstoffionen
oder durch aktivierten Sauerstoff im Ionenstrahl erfolgt. Es wurde
mittels Energy Dispersive Spectroscopy beobachtet, dass die Kohlenstoffanzeichen
in den aufgebrachten Beschichtungen, bei Erhöhung der Sauerstoffflussrate
und bei gleichbleibender Siloxan-Precursor-Flussrate, abnehmen.
Man ist der Überzeugung, dass
die Reduktion der Druckspannung bei gleichzeitiger Erhöhung der
Beschichtungshärte beim
Ionenstrahlverfahren nach der vorliegenden Erfindung einmalig ist.
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Unter
Verwendung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung, können unter
Beibehaltung geringer Trägermaterialtemperaturen
sehr hohe Ablagerungsraten erzielt werden. Diese Erfindung produziert
Beschichtungen, die sehr haftend sind und einen überragenden Strapazierfähigkeitsschutz
zur Verfügung
stellen. Beispielsweise können
Kunststoffträgermaterialien,
wie beispielsweise optische Gläser,
hergestellt werden, die eine sehr hohe Verschleißfestigkeit ähnlich der
von Glas aufweisen. Aufgrund der hohen Beschichtungsraten, die erzielt werden
können,
stellt die Erfindung ein sehr ökonomisches
Herstellungsverfahren dar. Das Verfahren nach vorliegender Erfindung
ist darüber
hinaus einfach auf eine Massenproduktion auszuweiten, die kommerziell
erhältliche
Geräte
verwendet.
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Aufgrund
der vorhergehenden Beschreibung, wird dem Fachmann klar, dass die
vorliegende Erfindung eine verbesserte Methode zur Herstellung von
hoch schützenden
und verschleißfesten
Beschichtungen auf unterschiedlichen Trägermaterialien, optische Kunststoffe
mit eingenommen, zur Verfügung
stellt. Technisch höchst
wichtige Vorteile der vorliegenden Erfindung beinhalten die besondere Haftung
von durch Innenstrahl aufgebrachten Beschichtungen, die besondere
Verschleißfestigkeit und
eine problemlose und flexible Massenproduktion.