VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES MEHRKOMPONENTIGEN , POLYMER- UND METALLHALTIGEM SCHICHTSYSTEMS , VORRICHTUNG UND BESCHICHTETER GEGENSTAND
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Her- Stellung eines Schichtsystems auf einem Substrat sowie ein System, welches zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist und ein mittels des Verfahrens hergestellter Gegenstand.
Die Herstellung von Schichtsystemen auf Substraten ist von hoher industrieller Bedeutung. Bei Schichtsystemen handelt es sich dabei zumeist um so genannte DünnschichtSysteme, welche mit Gasphasenabscheidungs- verfahren auf das Substrat aufgebracht werden. Die derart hergestellten Gegenstände werden in den verschiedensten Gebieten der Technik verwendet. Als ein Beispiel seien auf ein Substrat gesputterte Metalloxide genannt, welche z. B. in der Display-, Flachglas- und Automobilindustrie sowie auch in der Präzisionsoptik und Ophthalmik angewandt werden.
Auf sehr weichen und elastischen KunststoffSubstraten kehren sich beim Sputtern, insbesondere beim Magnetron-Sputtern, verfahrensbedingte technische Vorteile wie die besonders hohe Härte und Dichte der aufgebrachten Schicht teilweise um: Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen mechanischen und chemischen Eigenschaften von Polymeren und Oxiden führen oft zu mangelhafter Schichthaf- tung und Rissbildung.
Im Falle von Aufdampfprozessen wird versucht, vorgenannte Mängel durch das Aufbringen von sehr lockeren und relativ weichen Beschichtungen auszugleichen. Die Qualität der so aufgebrachten Schichten ist jedoch sehr schlecht. Alternativ wird versucht, reine PoIy- merbeschichtungen auf KunststoffSubstrate aufzutragen, wobei die Polymerbeschichtungen unempfindlich auf mechanische Verspannungen reagieren. Jedoch lassen sich mit den Polymerbeschichtungen oft nicht die gleichen gewünschten optischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften wie bei Metall- oder Metalloxidschichten erzielen.
Bei der Herstellung von Polymerschichten werden diese häufig aus der flüssigen Phase mittels Spincoating oder Dipcoating hergestellt. Ein Aufbringen der Polymerschichten in Sputterprozessen beispielsweise kommt meist nicht in Frage, da aufgrund der hohen Teilchenenergien der Ionen die organischen Bindungen oftmals zerstört werden. Im Stand der Technik ist eine energiearme Beschichtungstechnik namens "matrix assisted pulse laser evaporation" zum Abscheiden von Polymeren aus der Gasphase bekannt um sich dieses Problems anzunehmen. Diese ist beispielsweise in der US 6 025 036 beschrieben. Dabei werden Monomere in
einem Lösungsmittel gelöst, welches dann mit flüssigem Stickstoff tiefgefroren wird. Ein gepulster Excimerlaser erwärmt diese so erzeugte Monomerquelle, so dass Lösungsmittel und einzelne Monomere in die Gasphase übergehen. Aus der Gasphase können sich die Monomere dann als Polymerschicht auf den Substrat- oberflachen abscheiden.
Die Verwendung eines Lasers zum Abtragen der Monomere besitzt jedoch einige Nachteile. So ist die Erzeugung und Kontrolle des Laserstrahls recht teuer und die AufSkalierung zum Herstellen großer Mengen von beschichteten Gegenständen aufgrund der mangelnden Aufskalierbarkeit des Lasers schwierig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die vorgenannten Probleme bei dem Aufbringen verschiedener Schichten auf ein Substrat nicht aufweist und neuar- tige Schichtsysteme zulässt.
Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen sind in den untergeordneten Ansprüchen beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erste Vakuumbeschichtungsquelle, welche aus mindestens einem in einem Lösungsmittel gelösten ersten Be- schichtungsmaterial besteht, positioniert. Das erste Beschichtungsmaterial bindet unter einem vorherrschenden Unterdruck besser an ein Substrat als das Lösungsmittel, und das Lösungsmittel wird unter Bestrahlung durch eine Bestrahlungsquelle aus der ersten Vakuumbeschichtungsquelle desorbiert, wodurch das erste Beschichtungsmaterial von einer der Bestrahlung ausgesetzten Oberfläche der ersten Vakuum-
beschichtungsquelle freigesetzt- wird. Weiterhin wird eine zweite Vakuumbeschichtungsquelle, welches mindestens ein zweites Beschichtungsmaterial aufweist, positioniert. Das zweite Beschichtungsmaterial wird mittels eines Gasphasenabscheidungsverfahrens freigesetzt und die freigesetzten ersten und zweiten Schichtmaterialien derart auf dem Substrat abgeschieden.
Die Positionierung der ersten und der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle ist dergestalt, dass die freigesetzten ersten und zweiten Schichtmaterialien sich von den Vakuumbeschichtungsquellen auf dem Substrat abscheiden können. Im Stand der Technik ist die Beherrschung dieser Verfahrensparameter wohlbekannt .
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es möglich, Schichtsysteme herzustellen, welche Eigenschaften aufweisen, die im Stand der Technik noch nicht zur Verfügung stehen. Mittels des ersten in einem Lösungsmittel gelösten Beschichtungsmaterials können insbesondere Monomere und Polymere auf das Substrat abgeschieden werden. Dabei ist die erste Vakuumbeschichtungsquelle eine beispielsweise mittels flüssigen Stickstoffs tiefgefrorene Monomerquelle, welche durch die Bestrahlungsquelle erwärmt wird. Dies geschieht im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mit einem Excimerlaser, sondern lediglich mit einer justierten Bestrahlungsquelle. Dabei zeigt die Verwendung einer Ionenstrahlquelle als Bestrahlungsquelle bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wirkung, dass bei geringen Ionenenergien und großen Ionenströmen bzw. hohen Stromdichten das erste Schichtmaterial aus dem Lösungsmittel herausgelöst werden kann, ohne das erste Schichtmaterial zu zerstören.
Das zweite Beschichtungsmaterial befindet sich auf einer zweiten Vakuumbeschichtungsquelle und kann somit vor, nach oder gleichzeitig mit dem ersten Beschichtungsmaterial auf das Substrat abgeschieden werden. Insbesondere bei der Verwendung eines zweiten Beschichtungsmaterials, welches sich in seinen Eigenschaften stark von denen des ersten Beschichtungsmaterials unterscheidet, werden so Schichtsysteme möglich, deren Herstellung bislang nicht realisierbar war.
Das Verwenden einer Ionenstrahlquelle trägt insbesondere dazu bei, dass das Verfahren zum Aufbringen des ersten Beschichtungsmaterials auch im großen industriellen Maßstab realisierbar wird. Dies war bislang bei Verwendung des Lasers nur unter großen Schwierigkeiten möglich. Hierbei hilft die überraschende Wirkung der Ionenstrahlquelle oder auch lediglich die Bestrahlung mittels einer direkten Strahlenheizung, um das in dem Lösungsmittel gelöste erste Schichtmaterial auf dem Substrat aufzutragen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver- fahrens ist das Gasphasenabscheidungsverfahren ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren, vorzugsweise ein Magnetron-Sputtern oder reaktives Magnetron- Sputtern. Physikalische Gasphasenabschei- dungsverfahren sind bereits im großen industriellen Maßstab skalierbar. Dies gilt in besonderem Maße für das Magnetron-Sputtern, bei welchem bereits hohe Reaktionsraten erreicht werden können. Auch ist die Dicke der aufzubringenden Schicht gut kontrollierbar.
Um eine Überhitzung der ersten Vakuumbeschichtungsquelle zu verhindern, kann die Strahlungsquelle im
gepulsten Betrieb verwendet werden. Hierbei treten kurzzeitig hohe Energieeinträge auf, welche einerseits ein Abtragen des ersten Schichtmaterials von der ersten Vakuumbeschichtungsquelle bewirken, ande- rerseits aber den zeitlich integrierten Energieeintrag reduzieren.
Besonders vorteilhaft wird das Verfahren verwendet, wenn das Substrat eine Kunststoffoberfläche aufweist und vorzugsweise aus einem Kunststoff besteht. Mit diesem Verfahren ist es auch möglich, die Haftfestigkeit von mit Sputtern oder Aufdampfen hergestellten anorganischen Beschichtungen auf KunststoffSubstraten wie PMMA, PC oder PET zu verbessern.
Zur optimalen Haftung der auf dem Substrat aufgebrachten Schichten ist es vorteilhaft, wenn die KunststoffOberfläche vor dem Abscheiden des ersten und/oder zweiten Beschichtungsmaterials mittels einer Plasmabehandlung aktiviert wird. Dies hat den Vorteil, dass die Oberfläche besser durch das erste und/oder zweite Beschichtungsmaterial ankontaktiert werden kann, was die Haftung zwischen dem Substrat und der ersten und/oder zweiten Schicht verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zuerst eine Schicht des ersten Beschichtungsmaterials auf das Substrat abgeschieden und anschließend eine Schicht des zweiten Beschich- tungsmaterials oder eine Mischschicht, d. h. Compo- sitschicht, aus dem ersten und dem zweiten Schichtmaterial auf das Substrat abgeschieden. Die erste Schicht aus dem ersten Beschichtungsmaterial bildet hierbei eine Haftschicht zwischen dem Substrat und den folgenden Schichten. Dabei ist der Begriff "Haftschicht" nicht nur dahingehend zu verstehen,
dass die Haftung zwischen dem Substrat und der ersten Schicht verbessert wird, sondern auch die Haftung zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht wesentlich verbessert wird. Insbesondere bei der Verwendung von Mischschichten können unterschiedlich zusammengesetzte Gradientenschichten hergestellt werden, die in ihren mechanischen Eigenschaften wie beispielsweise Verspannung, Haftfestigkeit, Härte und Rissbildung in verschiedenen Zusammensetzungen unter Prozessparametern untersucht und anschließend hergestellt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden das erste Beschichtungsmaterial und das zweite Beschichtungsmaterial gleichzeitig als eine Schicht auf dem Substrat abgeschieden. Hierdurch wird die Herstellung der vorgenannten Mischschichten stark vereinfacht. Dabei muss die derart gestaltete Mischschicht nicht zwangsläufig als erste, zweite oder dritte Schicht aufgebracht werden, sondern kann zu einem beliebigen Zeitpunkt aufgebracht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erste Schichtmaterial ein Monomer oder ein PoIy- mer. Dies ist insbesondere in Verbindung mit einem KunststoffSubstrat bzw. einem Substrat mit einer KunststoffOberfläche vorteilhaft, da das erste Beschichtungsmaterial hierbei die vorgenannte Haft- schicht bildet. Als Polymere kommen beispielsweise PET, PMMA oder PEG in Frage.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das zweite Beschichtungsmaterial ein Metall, vorzugsweise Aluminium, Silizium, Niob oder Titan ist, oder eine Metallmischung wie z.B. In: Sn, oder eine Metallkeramik wie z.B. SiO2, Si2N4, Al2O3, NbOx, TiOx, TaOx,
In2O3: Sn, MgF2 oder MgO ist. Durch die Abscheidung von Metallen in reiner, legierter oder keramischer Form ist es möglich, die Substrate oder die die Substrate aufweisenden Gegenstände mit einer sehr harten und rissfesten Schicht auszustatten. Vorzugsweise wird dabei das zweite Beschichtungsmaterial auf eine Lage des ersten Beschichtungsmaterials, welches aus einem Polymer oder Monomer oder einem anderen organischen Material besteht, aufgebracht, um somit die Haftung zwischen einem Substrat, besonders vorzugsweise einem KunststoffSubstrat , und der Metallschicht zu verbessern. Auf diese Weise können Gegenstände geschaffen werden, welche aus einem Substrat bestehen und eine Metall- oder Metalloxidschicht aufweisen, die bislang aufgrund mangelnder Haftfestigkeit nicht oder nicht in der gewünschten Qualität auf dem Kunststoffsub- strat angebracht werden konnte.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens sind die erste und die zweite Vakuumbeschichtungsquelle voneinander beabstandet und vorzugsweise durch einen Beschichtungsschutz voneinander getrennt. Auf diese Weise kann insbesondere das empfindlichere erste Schichtmaterial von der Auftragungsmethode des zwei- ten Schichtmaterials ungestört aufgetragen werden, was die Ausbeute und somit die Schichtqualität insbesondere des ersten Beschichtungsmaterials erhöht. Als Beschichtungsschutz kann beispielsweise ein einfaches Abschattungsblech zwischen der ersten und der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle dienen.
In einer weiteren Ausführungsform wird das unbeschichtete Substrat auf einem beweglichen Substrathalter an der ersten und der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle vorbeigeführt. Bei der
Vorbeiführung an der ersten und der zweiten Vakuumbe-
Schichtungsquelle wird das unbeschichtete Substrat beschichtet, wobei die Beschichtung sowohl aus mehreren reinen Schichten aus entweder dem ersten oder dem zweiten Schichtmaterial bestehen kann oder auch einzelne Schichten aus Mischschichten bestehen können, welche sowohl das erste als auch das zweite Schichtmaterial aufweisen.
Die vorgenannten Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können im Rahmen der Abhängigkeiten der Ansprüche miteinander kombiniert werden. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere ein System zum Beschichten eines Substrats mit einem Schichtsystem geeignet, wobei das System eine Beschichtungskammer , einen Substrathalter, eine erste Vakuumbeschichtungsquelle, vorzugsweise aus in einem Lösungsmittel gelösten ersten Beschichtungsma- terial, und einer Bestrahlungsquelle aufweist, wobei weiterhin eine zweite Vakuumbeschichtungsquelle, vorzugsweise mit einem zweiten Beschichtungsmaterial , und eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung vorhanden ist, so dass das zweite Beschichtungsmaterial auf das Substrat abscheidbar ist. Die gegenständlichen Aspekte der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im erfindungsgemäßen System zur
Durchführung des Verfahrens anwendbar und in diesem realisierbar. Dies betrifft beispielsweise den bewegten Substrathalter. Beschichtungskammern sind im Stand der Technik ausführlich bekannt und sollen hier nicht weiter diskutiert werden.
Mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Gegenstand hergestellt werden, welcher ein mit einem Schichtsystem versehenes Sub- strat aufweist, wobei das Substrat einen Kunststoff und das Schichtsystem mindestens eine erste und eine
zweite Schicht aufweist. Die erste Schicht kann durch eine reine Polymerschicht, wie z.B. PMMA, PE, PP, PC, PET, PVC, PTFE, eine Copolymerschicht oder aus einer organischen, nicht polymerischen Schicht, wie z. B. aus organischen Farbpigmenten oder organischen Molekülen mit speziellen Gruppen, gebildet sein. Die zweite Schicht kann durch eine Compositschicht aus Polymer bzw. organischem Material und Metall, wie Si, Al, Ti, Nb, Cu, Cr oder C, bestehen. Auch eine Compo- sitschicht aus Polymer bzw. organischem Material und Metallkeramiken, vorzugsweise Oxiden, jedoch auch Fluoriden und Nitriden, wie z.B. SiO2, Si3N4, A12O3 , NbOx, TiOx, TaOx, In2O3:Sn, MgF2 oder MgO, ist vorteilhaft.
Des Weiteren kann die zweite Schicht oder eine auf der zweiten Schicht angeordnete weitere Schicht auch lediglich eine einfache Metall- oder Metallkeramikschicht sein.
Insbesondere mittels der Compositschichten ist es durch einen Schichtgradienten zwischen dem organischen Material und dem Metalloxid möglich, eine haftvermittelnde Wirkung zwischen dem Substrat und Metall- oder Metallkeramikschichten herzustellen, welche mit bisherigen Verfahren nicht herstellbar waren. Darüber hinaus wird die Elastizität der für gewöhnlich harten und spröden Metall- und Metallkeramikschichten durch die Zufuhr von organischen Schichtkomponenten und Polymeren erhöht. Hieraus resultiert eine stärkere Biegsamkeit und Dehnbarkeit der Schichten, weniger Rissbildung und eine stärkere mechanische Beständigkeit.
Mit den Ausführungsformen des Verfahrens, sowie den Gegenständen können zahlreiche Anwendungen durchgeführt bzw. hergestellt werden:
• Herstellung von haftvermittelnden Schichten für physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren
• Herstellung flexibler, rissfester, optischer Schichtsysteme auf Kunststoffplatten oder - folien, wie z.B. Antireflexschichten, optische Filter oder kontrasterhöhende Bildwände auf
Kunststofffolien
• Ausbildung der flexiblen, rissfesten, optischen Schichtsysteme als Mehrfachschichtstapel aus hoch- und niedrigbrechenden Metalloxid-Polymer- Compositschichten
• Haftfeste und biegsame Kratzschutzschichten auf Kunststoffsubstraten wie PMMA mittels eines physikalischen GasphasenabscheidungsVerfahrens
• Unterschichten für photokatalytische Schichten, z.B. anatases TiO2 , auf KunststoffSubstraten wie
PMMA mittels eines physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahrens
• Diffusionsbarrieren für 02 und/oder H2O auf Kunststoffplatten und -folien • Antistatikbeschichtungen auf Kunststoffplatten und -folien
• Elektrisch leitfähige Oxide auf Kunststoffplatten und -folien
• Haftfeste Abscheidung von organischen Schicht - komponenten mit speziellen funktionellen Gruppen für die Medizintechnik und chemische Analytik.
Darüber hinaus besteht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur die Möglichkeit, Polymere in eine Beschichtung einzubetten, sondern es können auch Biopolymere eingebaut werden. Somit können völlig
neue Eigenschaften realisiert werden. Diese Biopolymere können beispielsweise als Monomer oder aber auch direkt als Biopolymer aus der Quelle auf die Schicht aufgetragen werden.
Als Beispiele sind nicht abschließend genannt: Proteine, Peptide, Polysaccharide (Stärke, Cellulose, Glykogen) und Polyglucosamine (Chitin, Chitosan) .
Alternativ zu den bislang vorgeschlagenen Verfahren kann auf die Verwendung einer zweiten Vakuumbeschich- tungsquelle und der damit verbundenen Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung verzichtet werden, so dass auch Gegenstände mit einer oder mehreren reinen Polymer- schichten erzeugbar sind. Die Vorteilhaftigkeit der
Ionenstrahlquelle liegt dann wie vorab beschrieben in der stark verbesserten Aufskalierbarkeit im Vergleich zu einem Laser. Durch die Verwendung der Ionenstrahlquelle kann zudem die Aufbringung des ersten Schicht- materials auf ein Kunststoffsubstrat verbessert werden. Mögliche Schicht- und/oder Substratmaterialien lassen sich den vorhergehenden Abschnitten entnehmen. Mittels dieses Verfahrens lassen sich beispielsweise Gegenstände herstellen, welche ein Substrat aus Kunststoff mit einer darauf aufgebrachten reinen Polymer oder Copolymerschicht aufweisen.
Weitere Aspekte der Erfindung sollen im Rahmen der Ausführungsbeispiele genauer diskutiert werden. Es zeigen:
Fig. Ia, b Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Systems ,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Gegenstand.
In Fig. Ia ist ein System 1 zur Durchführung verschiedenster Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das System 1 weist eine Beschichtungskammer 10 auf, in welcher eine Ionen- strahlquelle 11, eine Turbopumpe 12 und ein Drehmotor 13 mit einer daran befestigten Drehachse 14 angeordnet sind. An der Drehachse 14 ist ein Substrathalter 20 zum Halten von Substraten 21, 21' angeordnet. Der Substrathalter 20 wird über den Drehmotor 13 um die Drehachse 14 rotiert.
Die Ionenstrahlquelle 11 ist dergestalt angeordnet, dass diese eine erste Vakuumbeschichtungsquelle 31 bestrahlt. Die Bestrahlung erfolgt mit niederenerge- tischen Ionen mit hohen Stromdichten, um das in der ersten Vakuumbeschichtungsquelle 31 befindliche erste Beschichtungsmaterial nicht zu zerstören.
Die erste Vakuumbeschichtungsquelle 31 besteht aus einem tiefgefrorenen in einem Lösungsmittel gelösten ersten Beschichtungsmaterial. Das erste Beschichtungsmaterial ist in vorliegendem Falle ein Monomer aus Methylmethacrylat . Bei der Bestrahlung der ersten Vakuumbeschichtungsquelle 31 mit den niederenergeti- sehen Ionen wird das Lösungsmittel von dem ersten
Beschichtungsmaterial desorbiert, woraufhin sich das erste Beschichtungsmaterial von der dem Substrat 21 zugewandten Oberfläche der ersten Vakuumbeschichtungsquelle 31 freisetzt und aufgrund des herrschen- den Unterdrucks in der Beschichtungskammer 10 auf den Substraten 21 bzw. 21' abscheidet. Bei der Desorption des Lösungsmittels aus der ersten Vakuumbeschichtungsquelle 31 und der daraufhin freigesetzten Monomere verbinden sich die Monomere entweder auf der Strecke zwischen der ersten Vakuumbeschichtungsquelle 31 und den Substraten 21 bzw. 21' zu Polymeren, oder
die Verbindung zu Polymeren findet erst auf dem Substrat 21 bzw. 21 ' selbst statt.
Bei den Substraten 21 bzw. 21' handelt es sich um Kunststoffplatten oder Folien aus PMMA. Das erste
Schichtmaterial formt dann aufgrund der Bestrahlung eine Polymerschicht auf der Oberfläche des Substrats 21, so dass auf dem blanken PMMA eine erste reine Polymerschicht gebildet wird. Das Verfahren funktio- niert jedoch auch, wenn lediglich die unbeschichtete Oberfläche des Substrats aus PMMA besteht.
Wie bereits erwähnt, herrscht in der Beschichtungs- kammer 10 ein Unterdruck, welcher über die Turbopumpe 12 hergestellt wird. Der Arbeitsdruck liegt dabei im Bereich zwischen 10"1 bis 10"7 mbar, wobei bevorzugt ein Arbeitsdruck von 10"2 bis 10"4 mbar in der Be- schichtungskammer aufrechterhalten wird.
Zusätzlich zur ersten Vakuumbeschichtungsquelle 31 befindet sich eine zweite Vakuumbeschichtungsquelle 41 in der Beschichtungskammer 10. Die erste Vakuumbeschichtungsquelle 31 und die zweite Vakuumbeschichtungsquelle 41 sind dabei durch einen Beschichtungsschutz 42 voneinander räumlich getrennt, wobei auf die Bedeutung der Trennung an späterer Stelle näher eingegangen wird. Die zweite Vakuumbeschichtungsquelle 41 weist ein zweites Beschichtungs- material auf, welches im vorliegenden Falle Titan ist. Zwischen der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle
41 und dem Substrathalter 20 ist zum einen ein elektrisches Feld angelegt, und unterhalb der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle 41 befindet sich zum anderen ein Magnetron, mit welchem ein Magnetfeld an die zweite Vakuumbeschichtungsquelle 41 angelegt werden kann. In der Umgebung zwischen der zweiten Vakuumbe-
Schichtungsquelle 41 und dem Substrathalter 20 befindet sich ein Plasma, wie es beim Magnetron-Sputtern bekannt ist. Der Beschichtungsschutz 42 verhindert, dass sich das Plasma und hierbei insbesondere die hochreaktiven Sauerstoffionen auch in den Teilbereich der Beschichtungskammer 10 erstreckt, welcher zwischen der ersten Vakuumbeschichtungsquelle 31 und dem Substrathalter 20 liegt. Damit soll verhindert werden, dass die reaktiven Sauerstoffionen die aus der ersten Vakuumbeschichtungsquelle 31 losgelösten
Monomere durch Oxidation angreifen, bevor diese eine Polymerschicht auf dem Substrat 21 bzw. 21' bilden können .
Das Titan von der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle 41 wird mittels Magnetron-Sputterns auf das Substrat 21' bzw. 21 abgeschieden. Dabei ist dem Plasma, welches für gewöhnlich durch Argon- Ionen gebildet wird, Sauerstoff zugesetzt, so dass sich das aus der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle 41 herausgelöste Titan mit dem Sauerstoff zu einem Titanoxid verbindet. Das Titanoxid wird anschließend als dünne Schicht auf das Substrat 21' bzw. 21 abgeschieden.
Das in der Fig. Ia dargestellte System 1 kann in mehreren Betriebsmodi betrieben werden. In einem ersten Betriebsmodus können zunächst mittels der Ionenstrahlquelle 11 die Substrate 21 bzw. 21' mit einer Polymerschicht beschichtet werden. Dies wird möglich, da der Drehmotor 13 den Substrathalter 20 um die Drehachse 14 rotiert und so sämtliche auf dem Substrathalter befindlichen Substrate mit der Polymerschicht bedeckt werden können. Nachdem eine ausreichende Dicke der Polymerschicht auf dem PMMA erzeugt worden ist, wird der Polymerbeschichtungspro- zess angehalten und das Titan der zweiten Vakuumbe-
Schichtungsquelle 41 wird mittels Magnetronsputtern aus der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle 41 herausgelöst. Auf diese Weise wird auf die erste Schicht des Substrats eine zweite Schicht abgeschieden, welche aus einem Titanoxid, im Allgemeinen aus einem Metalloxid, Halbmetalloxid, Metall, Halbmetall oder einer Metallkeramik bestehen kann. Auf diese Weise können unter anderem mechanisch flexible hoch- und niedrigbrechende optische Schichten abgeschieden werden. Durch die Herstellung von Schichtstapeln lassen sich so mechanisch flexible optische Schichtsysteme wie ein Breitband-Antireflex-Schichtsystem oder optische Filter realisieren.
Im Vergleich zu bislang bekannten Substraten aus PMMA sind diese optischen Schichtsysteme gut haftend, da sie nicht direkt auf das Substrat aus PMMA selbst, sondern auf eine PMMA-Metalloxidübergangsschicht mit stärkerer Verzahnung und chemischer Anbindung zwi- sehen Polymer und Metalloxid abgeschieden werden.
Somit besitzen die auf das Substrat aufgebrachten Schichten eine gute Qualität, wobei insbesondere verhindert wird, dass die Metalloxidschicht schlecht haftet oder Risse bildet.
Als weiteren Betriebsmodus kann zunächst eine erste Schicht aus einem Polymer auf dem Substrat 21 bzw. 21' abgeschieden werden und anschließend bei gleichzeitigem Betrieb der Ionenstrahlquelle 11 und des Magnetrons der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle 41 bei Rotation des Substrathalters 20 entlang der Drehachse 14 eine Mischschicht aufgebracht werden, welche sowohl aus einem Polymer als auch aus einem Metalloxid besteht. Dabei kann die Konzentration der einzelnen Bestandteile der Mischschichten, d. h. die Gewichtsprozente des ersten und des zweiten Schicht-
materials, beispielsweise über die Abscheideraten des ersten bzw. des zweiten Schichtmaterials oder auch die Rotationsgeschwindigkeit des Substrathalters 20 eingestellt werden. Auf diese Weise können die Schichteigenschaften verändert werden, was insbesondere neue Möglichkeiten für die Härte, Elastizität sowie den Brechungs- und Absorptionsindex und die Schichthaftung mit sich bringt. Auf eine derartige Mischschicht könnte weiterhin eine weitere Metall- oder Metalloxidschicht mittels Magnetron- Sputterns oder eines anderen physikalischen Gasphasenabschei- dungsverfahrens aufgebracht werden. Auch andere physikalische Abscheidungsverfahren, wie z.B. thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen oder Ionenstrahl-Sputtern, kommen für das Aufbringen des zweiten Schichtmaterials neben dem Magnetsputtern in Frage .
In der Fig. Ib ist ein weiteres System I1 darge- stellt, welches insbesondere zur Produktion von beschichteten Substraten im industrietechnischen Maßstab gut geeignet ist. Das System I1 weist eine Beschichtungskammer 10' auf, in welche ein Substrathalter 20' über eine Eingangsschleuse 15 eingefahren und über eine Ausgangsschleuse 15 ' hinausgefahren werden kann. Die Führungseinrichtung des Substrathalters 20', welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist, führt in vorliegendem Beispiel das Substrat von rechts nach links. Das bedeutet insbesondere, dass das auf dem Substrathalter 20' aufgebrachte Substrat 22 auf der rechten Eingangsseite der Beschichtungskammer 10 ' noch nicht beschichtet ist, am Ausgang aus der Beschichtungskammer 10 ' durch die Schleuse 15 ' jedoch mit verschiedenen Schichten beschichtet ist. Rechts der Schleuse 15 bzw. links der Schleuse 15 ', d. h. außerhalb der dargestellten Beschichtungskammer
10', befinden sich benachbarte InIine-Segmente zur Vorbehandlung und Abscheidung weiterer Schichten . So kann das Substrat in dem InIine-Segment rechts der Schleuse 15 mittels Plasmabehandlung aktiviert wer- den. Die Beschichtungskammer 10' steht unter einem
Unterdruck, welcher mit dem Unterdruck des Systems 1 aus der Fig. Ia vergleichbar ist, d. h. der Unterdruck bewegt sich in derselben Größenordnung. Wiederum ist eine Ionenstrahlquelle 11 dargestellt, welche eine erste Vakuumbeschichtungsquelle 32 bestrahlt. Die erste Vakuumbeschichtungsquelle 32 ist ähnlich wie die erste Vakuumbeschichtungsquelle 31 aus der Fig. Ia ein erstes Beschichtungsmaterial, welches in einem Lösungsmittel gelöst vorliegt.
Die Ionenstrahlquelle 11 erstreckt sich in die Bildebene hinein, so dass die erste Vakuumbeschichtungsquelle 32 über die gesamte, sich in die Bildebene hineinerstreckende Breite des Substrats 22 mit nie- derenergetischen Ionen bestrahlt wird, so dass sich eine erste Polymerschicht über die gesamte in die Bildebene ragende Breite des Substrats 22 erstrecken kann. Bei dem Substrat 22 handelt es sich um ein KunststoffSubstrat aus PET. Das erste Schichtmaterial der ersten Vakuumbeschichtungsquelle 32 ist im vorliegenden Beispiel Polymethylmethacrylat (PMMA) , kann jedoch auch ein Polyethylenglykol (PEG) sein. Auf das Substrat 22 wird also zunächst eine PMMA-Schicht aufgebracht. Beim Bewegen des Substrats 22 mittels des bewegbaren Substrathalters 20' wird das nun mit einer ersten PMMA-Schicht beschichtete Substrat 22 weiter nach links jenseits eines Beschichtungsschut- zes 44, welcher den Beschichtungsprozess der ersten Schicht von dem Beschichtungsprozess einer zweiten Schicht trennt, transportiert. Der zweite Beschichtungsprozess erfolgt mittels einer zweiten Vakuumbe-
Schichtungsquelle 43. Wie eingezeichnet, ist die zweite Vakuurabeschichtungsquelle 43 in einem leichten Winkel zur Wand der Beschichtungskammer 10 ' angeordnet, so dass auch einige mittels Magnetron-Sputterns abgestäubte Atome des zweiten Schichtmaterials der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle 43 zusammen mit einigen Teilchen des ersten Schichtmaterials der ersten Vakuumbeschichtungsquelle 32 eine Mischschicht auf dem Substrat 22 bilden können.
Das zweite Schichtmaterial der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle 43 ist Silizium, wobei das sich zwischen dem Substrat 22 und der zweiten Vakuumbeschichtungsquelle 43 befindliche Plasma mit Sauer- stoff zu einem reaktiven Plasma angereichert ist, so dass die auf das Substrat abgeschiedene Schicht ein Siliziumoxid ist. Selbstverständlich könnte auch ein reines Metall wie beispielsweise Aluminium, Chrom oder Titan bzw. deren keramische Formen auf dem Substrat abgeschieden werden. Nachdem eine reine
Schicht des zweiten Schichtmaterials auf dem mit der ersten Schicht und der Mischschicht versehenen Substrat 22 abgeschieden worden ist, verlässt das auf dem Substrathalter 20' angeordnete Substrat die Beschichtungskammer 10' durch die Schleuse 15' zur weiteren Bearbeitung.
Wie an dem Beispiel aus Fig. Ib leicht zu erkennen ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. dessen Ausführungsformen einfach und aufskalierbar zur
Abscheidung flexibler optischer Schichtsysteme mit guter Schichthaftung und geringer Neigung zur Riss- bildung insbesondere bei kritischen Anforderungen wie Außenanwendungen oder Feuchte oder mechanischer Beanspruchung geeignet. Des Weiteren können Schichten mit verbesserten Eigenschaften hergestellt werden,
wobei die verbesserten Eigenschaften insbesondere über die Vermischung zwischen dem ersten und dem zweiten Schichtmaterial in einer Mischschicht einstellbar sind. Des Weiteren ist in der Fig. Ib gut illustriert, wie das neue Verfahren bzw. das System zur Durchführung des Verfahrens in bestehende Prozesse integrierbar ist, wobei die Integration relativ kostengünstig ist und langfristig neue Anwendungen wie z. B. aktive Bauelemente in der Optoelektronik möglich werden. Dies liegt zum einen daran, dass die homogene Abscheidung von ersten und zweiten Schichten bzw. Mischschichten auch auf große Flächen wie z. B. Folien oder Platten möglich wird. Mit den Systemen zur Durchführung des Verfahrens und den unterschied- liehen Ausführungsformen des Verfahrens können neue und bessere optische Schichtsysteme realisiert werden wie z. B. Antireflexschichten, Filter oder selektive Spiegel, welche im Automobilbau, im Bereich der Consumer-Optik, in der Ophthalmik, in der Medizin- technik, in der Sensorik oder in der Displaytechnik eingesetzt werden können.
Die in den Fign. Ia und Ib gezeigten Systeme 1 bzw. 1' können anstatt einer Ionenstrahlquelle 11 auch eine Strahlungsheizung zum Bestrahlen der ersten
Vakuumbeschichtungsquelle 31 bzw. 32 aufweisen. Auch mit einer dosierten Bestrahlung der ersten Vakuumbeschichtungsquelle ist es möglich, das Lösungsmittel zu desorbieren und das erste Schichtmaterial loszulö- sen, so dass sich dieses in Form einer Schicht auf einem Substrat niederlassen kann.
In der Fig. 2 soll noch auf ein beschichtetes Substrat 23 eingegangen werden, welches mittels ver- schiedener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens hergestellt werden kann. Das beschichtete
Substrat 23 weist einen Kunststoff 230 auf, welcher ein unbeschichtetes Substrat darstellt. Der Kunststoff 230 selbst kann beispielsweise ein PMMA, PC oder PET sein. Auf diesem ist eine erste Schicht 231 aufgebracht, welche aus einem Polymer wie beispielsweise Polymethylmethacrylat oder Polyethylenglykol besteht. Auf die erste Schicht 231 ist eine Mischschicht 232 aufgebracht, welche sowohl aus einem ersten als auch aus einem zweiten Schichtmaterial besteht, wobei das erste Schichtmaterial ein Polymer und das zweite Schichtmaterial ein Metall oder Metalloxid ist. Auf die Mischschicht 232 ist eine zweite Schicht 233 aufgebracht, welche aus dem einen Metall oder Metalloxid besteht. Als alternative Materialien für Substrat und erstes und zweites
Schichtmaterial sei auf vorherige Abschnitte verwiesen. Die Dicke der verschiedenen Schichten kann zwischen wenigen nm bis einigen μm variieren. Für optische Schichtsysteme liegen die Einzelschichtdi- cken im Bereich zwischen 1 nm bis mehrere 100 nm
Das hier dargestellte beschichtete Substrat 23 kann dann zu Gegenständen, wie sie bereits zuvor beschrieben oder in den Ansprüchen aufgeführt worden sind, weiterverarbeitet werden.
Bezugszeichenliste :
1,1' System
10,10' Beschichtungskammer 11 Ionenstrahlquelle
12 Turbopurape
13 Drehmotor
14 Drehachse 15,15' Schleusen 20 Substrathalter
21, 21', 22, 23 Substrat
31,32 erste Vakuumbeschichtungsquelle
41.43 zweite Vakuumbeschichtungsquelle
42.44 Beschichtungsschutz 230 Kunststoff
231,233 Schicht
232 Mischschicht