EP2699706A1 - Verfahren zum abscheiden eines transparenten barriereschichtsystems - Google Patents

Verfahren zum abscheiden eines transparenten barriereschichtsystems

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EP2699706A1
EP2699706A1 EP12706511.8A EP12706511A EP2699706A1 EP 2699706 A1 EP2699706 A1 EP 2699706A1 EP 12706511 A EP12706511 A EP 12706511A EP 2699706 A1 EP2699706 A1 EP 2699706A1
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EP
European Patent Office
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layer
barrier
vacuum chamber
plasma
transparent
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12706511.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Günther
Björn MEYER
Steffen Straach
Thomas Kühnel
Sebastian Bunk
Nicolas Schiller
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
    • C23C28/42—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by the composition of the alternating layers

Definitions

  • the invention relates to a method for depositing a transparent layer system with a barrier action against water vapor and oxygen.
  • barrier layer permeation barrier layer
  • Barrier layers sometimes impose very different resistance on various permeating substances.
  • OTR oxygen
  • WVTR water vapor
  • barrier layers By coating with a barrier layer, the permeation through a coated substrate over an uncoated substrate is reduced by a factor that is in the single-digit range or can be many orders of magnitude.
  • various other target parameters are also expected from a barrier layer. Examples of this are optical, mechanical and technological-economic requirements.
  • barrier layers should often be almost completely transparent in the visible spectral range or beyond. Become Barrier layers used in layer systems, it is often advantageous if
  • Coating steps for applying individual parts of the layer system can be combined with each other.
  • PECVD processes plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • These can be used for coating a wide variety of substrates for different layer materials.
  • Si0 2 and Si 3 N 4 layers having a thickness of 20 to 30 nm on 1 ⁇ PET substrates [AS da Silva Sobrinho et al., J. Vac. Be. Technol. A 1 6 (6), Nov / Dec 1998, p. 31 90-31 98].
  • barrier layers by sputtering. Sputtered monolayers often show better barrier properties than PECVD films.
  • WVTR 0.2 g / m 2 d and
  • PECVD processes that are directly maintained by the plasma of a magnetron discharge.
  • An example of this is the use of a magnetron plasma for PECVD coating for
  • barrier layers or barrier layer systems in several coating steps.
  • One method of this genus is the so-called PML (polymer multilayer) process (1999 Materials Research Society, pp. 247-254); [J. D.
  • a liquid acrylate film is applied to a substrate by means of an evaporator, which is cured by means of electron beam or UV irradiation. This film itself does not have a particularly high barrier effect. Subsequently, a coating of the cured acrylate film with an oxidic intermediate layer, on which in turn an acrylate film is applied. This procedure is repeated several times if necessary.
  • the invention is therefore the technical problem of providing a method with which the disadvantages of the prior art are overcome.
  • the method is intended to provide a transparent barrier layer system with a high blocking effect be produced with respect to oxygen and water vapor and a high coating rate.
  • a transparent barrier layer system In a method according to the invention for producing a transparent barrier layer system, at least two transparent barrier layers are deposited within a vacuum chamber on a transparent plastic film, between which also a transparent intermediate layer is embedded.
  • aluminum is vaporized within the vacuum chamber in a reactive process by simultaneously introducing at least one reactive gas, such as oxygen or nitrogen, into the vacuum chamber during the evaporation of the aluminum.
  • a silicon-containing layer is embedded between the two barrier layers, which is deposited by means of a plasma-assisted CVD process.
  • Such processes are also referred to as PECVD processes.
  • Silicon-containing precursors such as HMDSO, HMDSN or TEOS are particularly suitable as starting materials for the PECVD process. In this way, an organically crosslinked silicon-containing intermediate layer is formed, which gives the resulting barrier composite due to the organic crosslinking in the intermediate layer a higher elasticity compared to a composite without this intermediate layer.
  • hollow cathodes or magnetrons can be used.
  • a magnetron is used as the plasma-generating device, from whose target particles are dusted, which are involved in the layer structure of the intermediate layer. It should be expressly mentioned at this point that the dusting of particles of a target belonging to the magnetron is not essential to the invention.
  • a magnetron in the PECVD process of a method according to the invention is superficially used to generate a plasma, which splits the starting materials introduced into the vacuum chamber and excites the chemical layer deposition. During the PECVD process, reactive gases, such as oxygen and / or nitrogen, can additionally be introduced into the vacuum chamber.
  • a transparent barrier layer system deposited by the method according to the invention is furthermore distinguished by a high barrier effect to water vapor and oxygen, it also being possible for the layer system to be deposited with the high coating rates known for evaporation and for PECVD processes.
  • barrier layer systems deposited according to the invention are suitable, for example, for encapsulating components in solar cell production or for encapsulating OLEDs and other electronically active materials.
  • the high barrier effect of the layer system deposited according to the invention with respect to water vapor and oxygen is mainly due to the fact that an organically crosslinked silicon-containing layer causes a growth stop of layer defects of a barrier layer deposited thereunder by reactive aluminum evaporation. It is known that once formed layer defects, which arise during the reactive evaporation of aluminum, often grow along with the layer growth through the remaining layer thickness.
  • the organic cross-linked silicon-containing intermediate layer deposited between the barrier layers in the process according to the invention is able to cover the layer defects of the underlying barrier layer so that they do not continue to grow when the second barrier layer overlying the intermediate layer.
  • the barrier effect to water vapor and oxygen can be further increased to a certain degree if the barrier layer and intermediate layer are deposited several times in succession alternately.
  • barrier layer For evaporating the aluminum during the deposition of a barrier layer known evaporation evaporator or electron beam evaporator can be used for the evaporation.
  • the deposition of barrier layers can additionally be assisted by a plasma which penetrates the space between the aluminum evaporator and a plastic film substrate to be coated.
  • hollow cathode plasmas or microwave plasmas are suitable as plasmas.
  • the deposition of barrier layer and intermediate layer can be done either in a vacuum chamber or in two separate vacuum chambers.
  • the barrier effect to water vapor should be increased.
  • the plastic film is coated in a first coating step in a first vacuum chamber with an aluminum oxide layer formed as a barrier layer by evaporating aluminum in the vacuum chamber and at the same time also admitted oxygen with 14.2 slm in the vacuum chamber.
  • the four hollow cathodes are fed with an electrical current of 270 A each.
  • an aluminum oxide layer with a layer thickness of 90 nm is deposited on the plastic film.
  • an intermediate layer is applied to the barrier layer at the same belt speed.
  • the plastic film substrate provided with the barrier layer is passed through a second vacuum chamber, into which the silicon-containing precursor HMDSO flows at 175 sccm and the reactive gas oxygen at 130 sccm.
  • the plasma of a magnetron with a power of 7.5 kW in the second vacuum chamber splits the precursor, activates the split components and thus stimulates them to form a chemical layer on the plastic film provided with the barrier layer.
  • An organically crosslinked, silicon-containing layer grows above the barrier layer.
  • the plasma in this PECVD process is generated by means of a magnetron.
  • a magnetron is also commonly used to produce particles for depositing a layer.
  • this intermediate layer When depositing this intermediate layer according to the inventive method, however, no sputter removal from the magnetron target and thus no contribution to the provision of particles for the layer structure is required.
  • the magnetron is used in this process step only to generate a plasma.
  • a barrier layer and an intermediate layer are deposited on the PET film.
  • Interlayer is hereinafter referred to as dyad.
  • dyad Interlayer Interlayer
  • further barrier layers and intermediate layers were deposited alternately on the plastic film with the abovementioned coating parameters until a total of 5 dyads had been completed. After each dyad, the value for the permeation of water vapor, which is shown in Tab. 1, was determined on the then present composite of plastic film, barrier layers and intermediate layers.
  • the barrier effect on water vapor from dyad to dyad could be improved, which is an indication that the intermediate layers resulting from the process according to the invention effectively interrupt the growth of defects from one barrier layer to the barrier layer deposited above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines transparenten Barriereschichtsystems, indem in einer Vakuumkammer auf einer transparenten Kunststofffolie mindestens zwei transparente Barriereschichten und eine zwischen den beiden Barriereschichten angeordnete transparente Zwischenschicht abgeschieden werden, wobei zum Abscheiden der Barriereschichten Aluminium verdampft und gleichzeitig mindestens ein erstes Reaktivgas in die Vakuumkammer eingelassen wird und dass als Zwischenschicht eine Silizium-haltige Schicht mittels eines PECVD-Prozesses abgeschieden wird.

Description

Verfahren zum Abscheiden eines transparenten Barriereschichtsystems
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden eines transparenten Schichtsystems mit einer Barrierewirkung gegenüber Wasserdampf und Sauerstoff.
Stand der Technik Elektronisch aktive Materialien, die in verschiedensten elektronischen Baugruppen eingesetzt werden, weisen oftmals eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und Luftsauerstoff auf. Um diese Materialien zu schützen, ist es bekannt, derartige Baugruppen zu verkapseln. Das geschieht zum einen durch das direkte Abscheiden einer Schutzschicht auf den zu schützenden Materialien bzw. durch das Elnhausen der Baugruppen mittels zusätzlicher Bauteile. So werden beispielsweise Solarzellen oftmals mittels Glas vor
Feuchtigkeit und anderen äußeren Einflüssen geschützt. Um Gewicht zu sparen und um auch zusätzliche Freiheitsgrade hinsichtlich des Designs zu erreichen, werden zum
Verkapseln auch Kunststofffolien verwendet. Solche Kunststofffolien müssen für eine ausreichende Schutzwirkung beschichtet werden. Auf ihnen wird deshalb mindestens eine sogenannte Permeationssperrschicht (im Folgenden auch als Barriereschicht bezeichnet) abgeschieden.
Barriereschichten setzen verschiedenen permeierenden Substanzen teilweise einen sehr unterschiedlichen Widerstand entgegen. Zur C harakterisierung von Barriereschichten wird häufig die Permeation von Sauerstoff (OTR) und Wasserdampf (WVTR) durch die mit der Barriereschicht versehenen Substrate unter definierten Bedingungen herangezogen (WVTR gemäß DIN 531 22-2-A; OTR gemäß DIN 53380-3).
Durch das Beschichten mit einer Barriereschicht wird die Permeation durch ein beschichtetes Substrat gegenüber einem unbeschichteten Substrat um einen Faktor verringert, der im einstelligen Bereich liegen oder viele Größenordnungen betragen kann. Häufig werden neben vorgegebenen Barrierewerten auch noch verschiedene andere Zielparameter von einer Barriereschicht erwartet. Beispielhaft stehen hierfür optische, mechanische sowie technologisch-ökonomische Anforderungen. So sollen Barriereschichten oftmals im sicht- baren Spektralbereich oder darüber hinaus nahezu vollständig transparent sein. Werden Barriereschichten in Schichtsystemen eingesetzt, ist es häufig vorteilhaft, wenn
Beschichtungsschritte zum Aufbringen einzelner Teile des Schichtsystems miteinander kombinierbar sind. Zum Herstellen von Barriereschichten werden häufig sogenannte PECVD-Verfahren (plasma enhanced chemical vapor deposition) eingesetzt. Diese können beim Beschichten verschiedenster Substrate für unterschiedliche Schichtmaterialien zum Einsatz gelangen. Es ist beispielsweise bekannt, auf 1 3 μιτι PET-Substraten Si02- und Si3N4-Schichten einer Dicke von 20 bis 30 nm abzuscheiden [A. S. da Silva Sobrinho et al., J. Vac. Sei. Technol. A 1 6(6), Nov/Dec 1998, p. 31 90-31 98]. Bei einem Arbeitsdruck von 10 Pa lassen sich auf diese Weise Permeationswerte von WVTR = 0,3 g/m2d und OTR = 0,5 cm3/m2d erreichen.
Beim Abscheiden von SiOx für transparente Barriereschichten auf PET Substraten mittels PECVD lässt sich eine Sauerstoffbarriere von OTR = 0,7 cm3/m2d realisieren [R. J . Nelson and H. C hatham, Society of Vacuum Coaters, 34th Annual Technical Conference Proceedings (1991 ) p. 1 1 3-1 1 7]. In einer andere Quellen werden zu dieser Technologie für transparente Barriereschichten auf PET-Substraten Permeationswerte in der Größenordnung
WVTR = 0,3 g/m2d und OTR = 0,5 cm3/m2d angegeben [M. Izu, B. Dotter, S. R. Ovshinsky, Society of Vacuum Coaters, 36th Annual Technical Conference Proceedings (1993) p. 333- 340].
Nachteile der bekannten PECVD-Verfahren bestehen vor allem darin, dass nur relativ geringe Barrierewirkungen erreicht werden. Das macht solche Barriereschichten insbesondere für die Verkapselung elektronischer Produkte uninteressant. Ein weiterer Nachteil besteht in dem hohen Arbeitsdruck, der für eine Durchführung eines solchen Verfahrens erforderlich ist. Soll ein derartiger Beschichtungsschritt in komplexe Produktionsabläufe in Vakuumanlagen integriert werden, wird unter Umständen ein hoher Aufwand für Maßnahmen der Druckentkopplung erforderlich. Eine Kombination mit anderen Beschichtungs- prozessen wird aus diesem Grunde zumeist unwirtschaftlich.
Es ist ferner bekannt, Barriereschichten durch Sputtern aufzubringen. Gesputterte Einzelschichten zeigen oft bessere Barriereeigenschaften als PECVD-Schichten. Für gesputtertes AlNO auf PET werden als Permeationswerte beispielsweise WVTR = 0,2 g/m2d und
OTR = 1 cm3/m2d angegeben [Thin Solid Films 388 (2001 ) 78-86]. Daneben sind zahlreiche andere Materialien bekannt, die insbesondere durch reaktives Sputtern zum Herstellen von transparenten Barriereschichten verwendet werden. Die auf diese Weise hergestellten Schichten weisen jedoch ebenfalls zu geringe Barrierewirkungen auf. Ein weiterer Nachteil derartiger Schichten liegt in ihrer geringen mechanischen Belastbarkeit. Schädigungen, die durch technologisch unvermeidbare Beanspruchungen während der Weiterverarbeitung oder der Benutzung auftreten, führen meist zu einer deutlichen Verschlechterung der Barrierewirkung. Das macht gesputterte Einzelschichten für Barriereanwendungen häufig unbrauchbar. Ein weiterer Nachteil gesputterter Schichten besteht in deren hohen Kosten, die durch die geringe Produktivität des Sputterprozesses verursacht werden. Es ist weiterhin bekannt, Einzelschichten als Barriereschichten aufzudampfen. Mittels solcher PVD-Verfahren können ebenfalls verschiedene Materialien direkt oder reaktiv auf verschiedensten Substraten abgeschieden werden. Für Barriereanwendungen ist beispielsweise die reaktive Bedampfung von PET-Substraten mit Al203 bekannt [Surface and Coatings Technology 1 25 (2000) 354-360]. Hierbei werden Permeationswerte von WVTR = 1 g/m2d und OTR = 5 cm3/m2d erreicht. Diese Barrierewirkung ist ebenfalls viel zu gering, um derart beschichtete Materialien als Barriereschichten für elektronische Produkte verwenden zu können. Sie sind häufig mechanisch noch weniger belastbar als gesputterte Einzelschichten. Von Vorteil sind allerdings die sehr hohen Beschichtungsraten, welche mit Verdampfungsprozessen erreicht werden. Diese liegen üblicherweise um den Faktor 1 00 über denen, welche beim Sputtern erreicht werden.
Es ist ebenso bekannt, beim Abscheiden von Barriereschichten, Magnetronplasmen für eine Plasmapolymerisation einzusetzen (EP 0 81 5 283 B 1 ); [So Fujimaki, H. Kashiwase, Y.
Kokaku, Vacuum 59 (2000) p. 657-664]. Hierbei handelt es sich um PECVD-Prozesse, die direkt durch das Plasma einer Magnetronentladung aufrechterhalten werden. Beispielhaft steht hierfür das Verwenden eines Magnetronplasmas für PECVD-Beschichtung zur
Abscheidung von Schichten mit einem Kohlenstoffgerüst, wobei als Precursor C H4 dient. Derartige Schichten weisen jedoch ebenfalls eine für hohe Anforderungen eine nur ungenügende Barrierewirkung auf.
Weiterhin ist es bekannt, Barriereschichten bzw. Barriereschichtsysteme in mehreren Beschichtungsschritten aufzubringen. Ein Verfahren aus dieser Gattung ist der sogenannte PML(Polymermultilayer)-Prozess (1999 Materials Research Society, p. 247-254); [J . D.
Affinito, M. E. Gross, C. A. Coronado, G. L. Graff, E. N. Greenweil and P. M. Martin, Society of Vacuum Coaters, 39th Annual Technical Conference Proceedings (1996) p. 392-397]. Beim PML-Prozess wird mittels Verdampfer ein flüssiger Acrylat-Film auf ein Substrat aufgebracht, der mittels Elektronenstrahltechnik oder UV-Bestrahlung ausgehärtet wird. Dieser Film weist selbst keine besonders hohe Barrierewirkung auf. Anschließend erfolgt eine Beschichtung des ausgehärteten Acrylatfilms mit einer oxidischen Zwischenschicht, auf die wiederum ein Acrylatfilm aufgebracht wird. Diese Vorgehensweise wird bei Bedarf mehrfach wiederholt. Die Permeationswerte eines derart erzeugten Schichtstapels, also einer Kombination einzelner oxidischer Barriereschichten mit Acry latsch ichten als Zwischenschichten, liegt unterhalb der Messgrenze von konventionellen Permeationsmessgeräten. Nachteile ergeben sich hierbei vor allem im notwendigen Einsatz aufwendiger Anlagen- technik. Außerdem bildet sich zunächst ein flüssiger Film auf dem Substrat, der ausgehärtet werden muss. Das führt zu einer verstärkten Anlagenverschmutzung, was Wartungszyklen verkürzt. Bei derartigen Beschichtungsprozessen wird die als Barriereschicht fungierende Zwischenschicht meist mittels Magnetronsputtern hergestellt. Von Nachteil ist auch hierbei, dass durch die Verwendung der Sputtertechnologie auf einen vergleichsweise langsamen Prozess zurückgegriffen wird. Dadurch ergeben sich sehr hohe Produktkosten, die aus der geringen Produktivität der verwendeten Technologien herrühren.
Es ist bekannt, dass sich die mechanische Beständigkeit anorganischer Aufdampfschichten verbessern lässt, wenn während des Verdampfens eine organische Modifizierung vor- genommen wird. Dabei erfolgt der Einbau organischer Bestandteile in die sich während des Schichtwachstums ausbildende anorganische Matrix. Offenbar kommt es durch den Einbau dieser weiteren Bestandteile in die anorganische Matrix zu einer Erhöhung der Elastizität der gesamten Schicht, was die Gefahr von Brüchen in der Schicht deutlich reduziert. Stellvertretend, als zumindest für Barriereanwendungen geeignet, sei in diesem Zusammenhang ein Kombinationsprozess genannt, der eine Elektronenstrahlverdampfung von SiOx mit dem Einlass von HMDSO kombiniert (DE 195 48 1 60 C 1 ). Für elektronische Komponenten erforderliche niedrige Permeationsraten lassen sich mit derart hergestellten Schichten allerdings nicht erzielen. Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde ein Verfahren zu schaffen, mit welchem die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere soll mit dem Verfahren ein transparentes Barriereschichtsystem mit einer hohen Sperrwirkung gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf sowie einer hohen Beschichtungsrate herstellbar sein.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merk- malen des Anspruchs 1 . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines transparenten Barriereschichtsystems werden innerhalb einer Vakuumkammer auf einer transparenten Kunststoff- folie mindestens zwei transparente Barriereschichten abgeschieden, zwischen denen auch noch eine transparente Zwischenschicht eingebettet wird. Zum Abscheiden der Barriereschichten wird innerhalb der Vakuumkammer Aluminium in einem reaktiven Prozess verdampft, indem während des Verdampfens des Aluminiums gleichzeitig auch noch mindestens ein Reaktivgas, wie beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff, in die Vakuum- kammer eingelassen wird. Als Zwischenschicht wird eine Silizium-haltige Schicht zwischen den beiden Barriereschichten eingebettet, welche mittels eines plasmaunterstützten CVD- Prozesses abgeschieden wird. Derartige Prozesse werden auch als PECVD-Prozesse bezeichnet. Als Ausgangsstoffe für den PECVD-Prozess sind insbesondere Silizium-haltige Precursoren wie HMDSO, HMDSN oder TEOS geeignet. Auf diese Weise entsteht eine organisch vernetzte Silizium-haltige Zwischenschicht, die dem entstehenden Barriereverbund aufgrund der organischen Vernetzung in der Zwischenschicht eine höhere Elastizität verleiht gegenüber einem Verbund ohne diese Zwischenschicht.
Zum Erzeugen eines Plasmas für den PECVD-Prozess können Hohlkathoden oder auch Magnetrons verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Magnetron als plasmaerzeugende Einrichtung verwendet, von dessen Target Partikel abgestäubt werden, die am Schichtaufbau der Zwischenschicht beteiligt sind. An dieser Stelle sei ausdrücklich erwähnt, dass das Abstäuben von Partikeln eines zum Magnetron gehörenden Targets nicht erfindungswesentlich ist. Ein Magnetron beim PECVD-Prozess eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird vordergründig zum Erzeugen eines Plasmas verwendet, welches in die Vakuumkammer eingelassene Ausgangsstoffe aufspaltet und zur chemischen Schichtabscheidung anregt. Während des PECVD-Prozesses können zusätzlich auch Reaktivgase, wie beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, in die Vakuumkammer eingelassen werden.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschiedenes transparentes Barriereschicht- System zeichnet sich weiterhin durch eine hohe Sperrwirkung gegenüber Wasserdampf und Sauerstoff aus, wobei das Schichtsystem auch noch mit den für das Verdampfen sowie für PECVD-Prozesse bekannten hohen Beschichtungsraten abgeschieden werden kann.
Aufgrund dieser Eigenschaften sind erfindungsgemäß abgeschiedene Barriereschichtsysteme beispielsweise zum Verkapseln von Bauelementen bei der Solarzellenherstellung oder zum Verkapseln von OLEDs und anderen elektronisch aktiven Materialien geeignet.
Die hohe Sperrwirkung des erfindungsgemäß abgeschiedenen Schichtsystems gegenüber Wasserdampf und Sauerstoff liegt hauptsächlich darin begründet, dass eine organisch vernetzte Silizium-haltige Schicht einen Wachstumsstopp von Schichtdefekten einer darunter durch reaktives Aluminiumverdampfen abgeschiedenen Barriereschicht bewirkt. Es ist bekannt, dass einmal entstandene Schichtdefekte, die beim reaktiven Verdampfen von Aluminium entstehen, oftmals mit dem Schichtwachstum durch die restliche Schichtdicke hindurch mitwachsen. Die beim erfindungsgemäßen Verfahren zwischen den Barriereschichten abgeschiedene organisch vernetzte Silizium-haltige Zwischenschicht vermag es, die Schichtdefekte der darunterliegenden Barriereschicht abzudecken, so dass diese keine Fortsetzung beim Aufwachsen der zweiten über der Zwischenschicht liegenden Barriereschicht finden. Dadurch lässt sich mit einem erfindungsgemäß abgeschiedenen Schichtsystem eine hohe Barriere- bzw. Sperrwirkung gegenüber Wasserdampf und Sauerstoff erzielen. Die Sperrwirkung gegenüber Wasserdampf und Sauerstoff lässt sich bis zu einem bestimmten Grad noch weiter erhöhen, wenn Barriereschicht und Zwischenschicht mehrfach abwechselnd nacheinander abgeschieden werden.
Für das Verdampfen des Aluminiums während des Abscheidens einer Barriereschicht können für das Verdampfen bekannte Schiffchenverdampfer oder auch Elektronenstrahl- Verdampfer verwendet werden. Das Abscheiden von Barriereschichten kann zusätzlich auch noch durch ein Plasma unterstützt werden, welches den Raum zwischen Aluminiumverdampfer und einem zu beschichtenden Kunststofffoliensubstrat durchdringt. Als Plasmen sind hierbei insbesondere Hohlkathodenplasmen oder auch Mikrowellenplasmen geeignet. Das Abscheiden von Barriereschicht und Zwischenschicht kann entweder in einer Vakuumkammer oder auch in zwei getrennten Vakuumkammern erfolgen.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Bei einer 650 mm breiten und 75 μιτι dicken Kunststofffolie aus dem Material PET soll die Sperrwirkung gegenüber Wasserdampf erhöht werden. Hierzu wird die Kunststofffolie in einem ersten Beschichtungsschritt in einer ersten Vakuumkammer mit einer als Barriere- schicht ausgebildeten Aluminiumoxidschicht beschichtet, indem in der Vakuumkammer Aluminium verdampft und gleichzeitig auch noch Sauerstoff mit 14,2 slm in die Vakuumkammer eingelassen wird.
Zum Verdampfen des Aluminiums werden acht bekannte Schiffchenverdampfer verwendet, die unterhalb der zu beschichtenden Kunststofffolie mit gleichmäßigem Abstand über die Breite der Kunststofffolie verteilt angeordnet sind. Das Verdampfen des Aluminiums erfolgt mit einer Verdampfungsrate von 2 g/min für jeden Schiffchenverdampfer, wobei die Kunststofffolie mit einer Bandgeschwindigkeit von 30 m/min über die Schiffchenverdampfer hinwegbewegt wird. Die als Barriereschicht ausgebildete Aluminiumoxidschicht wird plasmaunterstützt abgeschieden. Vier Hohlkathoden, die ebenfalls mit gleichmäßigem
Abstand über die Breite der Kunststofffolie verteilt angeordnet sind, erzeugen ein Plasma, welches den Raum zwischen den Schiffchenverdampfern auf der einen Seite und der zu beschichtenden Kunststofffolie auf der anderen Seite durchdringt. Die vier Hohlkathoden werden dabei mit einem elektrischen Strom von jeweils 270 A gespeist. Bei den genannten Parametern wird eine Aluminiumoxidschicht mit 90 nm Schichtdicke auf der Kunststofffolie abgeschieden.
In einem zweiten Beschichtungsschritt wird auf der Barriereschicht eine Zwischenschicht bei gleicher Bandgeschwindigkeit aufgetragen. H ierzu wird das mit der Barriereschicht versehene Kunststofffoliensubstrat durch eine zweite Vakuumkammer geführt, in welche der Silizium-haltige Precursor HMDSO mit 1 75 sccm und das Reaktivgas Sauerstoff mit 130 sccm einströmen. Das Plasma eines Magnetrons mit einer Leistung von 7,5 kW in der zweiten Vakuumkammer spaltet den Precursor auf, aktiviert die aufgespaltenen Bestandteile und regt diese somit zu einer chemischen Schichtabscheidung auf der mit der Barriere- schicht versehenen Kunststofffolie an. Im Ergebnis dieses schichtabscheidenden Prozesses wächst eine organisch vernetzte, Silizium-haltige Schicht über der Barriereschicht auf. Wie bereits erwähnt, wird das Plasma bei diesem PECVD-Prozess mittels eines Magnetrons erzeugt. Ein Magnetron wird üblicherweise auch verwendet, um Partikel für das Abscheiden einer Schicht zu erzeugen. Bei Abscheiden dieser Zwischenschicht nach dem erfindungs- gemäßen Verfahren ist jedoch kein Sputterabtrag vom Magnetrontarget und somit kein Beitrag zum Bereitstellen von Partikeln für den Schichtaufbau erforderlich. Das Magnetron dient bei diesem Verfahrensschritt lediglich dem Erzeugen eines Plasmas.
Nach diesem Beschichtungsschritt sind auf der PET-Folie eine Barriereschicht und eine Zwischenschicht abgeschieden. Das jeweilige Abscheiden einer Barriereschicht und einer
Zwischenschicht wird nachfolgend als Dyade bezeichnet. Bei nachfolgenden Beschichtungs- schritten wurden weitere Barriereschichten und Zwischenschichten jeweils im Wechsel auf der Kunststofffolie mit den oben genannten Beschichtungsparametern abgeschieden bis insgesamt 5 Dyaden vollendet waren. Nach jeder Dyade wurde an dem dann jeweils vorliegenden Verbund aus Kunststofffolie, Barriere- und Zwischenschichten der Wert für die Permeation von Wasserdampf ermittelt, welche in Tab. 1 dargestellt sind.
Tab. 1
Wie der Tab. 1 zu entnehmen ist, konnte die Sperrwirkung gegenüber Wasserdampf von Dyade zu Dyade verbessert werden, was ein Zeichen dafür ist, dass die aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierenden Zwischenschichten das Defektwachstum von einer Barriereschicht zur darüber abgeschiedenen Barriereschicht wirksam unterbrechen.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die zuvor genannten Werte physikalischer Größen von Beschichtungsparametern nur beispielhaft angeführt sind und das erfindungsgemäße Verfahren nicht beschränken.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen eines transparenten Barriereschichtsystems, wobei in
mindestens einer Vakuumkammer auf einer transparenten Kunststofffolie mindestens zwei transparente Barriereschichten und eine zwischen den beiden Barriereschichten angeordnete transparente Zwischenschicht abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abscheiden der Barriereschichten Aluminium verdampft und gleichzeitig mindestens ein erstes Reaktivgas in die Vakuumkammer eingelassen wird und dass als Zwischenschicht eine Silizium-haltige Schicht mittels eines PECVD- Prozesses abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht und die zweite Schicht mehrfach im Wechsel abgeschieden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff und/ oder Stickstoff als erstes Reaktivgas verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Barriereschicht bei Anwesenheit eines Plasmas in der Vakuumkammer erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlkathoden- plasma oder ein Mikrowellenplasma als Plasma verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetronplasma oder ein Hohlkathodenplasma für den PECVD-Prozess verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Silizium-haltiger Precursor als Ausgangsmaterial für den PECVD-Prozess in die
Vakuumkammer eingelassen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass HMDSO, H MDSN oder TEOS als Precursor verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des PECVD-Prozesses zusätzlich noch ein zweites Reaktivgas in die Vakuumkammer eingelassen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff oder/und Stickstoff als zweites Reaktivgas verwendet werden.
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