WO2016169825A1 - Beschichteter optischer gegenstand und verfahren zur herstellung eines beschichteten optischen gegenstands - Google Patents

Beschichteter optischer gegenstand und verfahren zur herstellung eines beschichteten optischen gegenstands Download PDF

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WO2016169825A1
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layer
diamond
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layers
coated article
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Michael Vergöhl
Stefan Bruns
Hans-Ulrich Kricheldorf
Lothar SCHÄFER
Markus Höfer
Markus Armgardt
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • G02B1/14—Protective coatings, e.g. hard coatings

Definitions

  • the invention relates to a coated article. Furthermore, the invention relates to a method for producing a coated article. Articles with a coating, in particular with a visible antireflection coating, are widely used industrially. It is therefore to this
  • the coating of the coated article should - in addition to a low reflection - have a high hardness and / or scratch resistance. This object is achieved by a coated article according to independent claim 1.
  • the coated article comprises a substrate. On the substrate, an optical coating is arranged.
  • the optical coating has a reflection-reducing layer sequence.
  • reflection-reducing layer sequence comprises or comprises a cover layer with a refractive index n ⁇ and at least one diamond layer with a refractive index np ] _> n ⁇ .
  • the diamond layer is between the cover layer and the
  • the diamond layer consists of diamond crystals or diamond nanocrystals.
  • Diamond layer has a layer thickness of ⁇ 500 nm.
  • reflection-reducing layer sequence a reflectance of less than or equal to 3%, in particular of less than 1%, on.
  • the diamond layer has a transmission of greater than 80%, in particular greater than 90%, for example more than 95%, at least in one
  • Wavelength range from 420 nm to 680 nm, ie in the visible wavelength range on.
  • reflection-reducing layer sequence on a reflectance of less than 1% in a wavelength range of 420 nm to 680 nm.
  • Refractive index ri2 ⁇ np ] _ be arranged, the Covering layer and the diamond layer are mechanically directly in contact and / or wherein between the diamond layer and the cover layer, a first layer having a refractive index n] _ is arranged, where: np] _>ri2> n l.
  • coated object a substrate.
  • the substrate may be any article suitable for coating.
  • the substrate is formed of glass such as quartz glass or sapphire.
  • the substrate is made of a transparent material, such as glass, quartz glass or sapphire.
  • the substrate may be an optical component. optical
  • Components are, for example, lenses, in particular for binoculars, endoscopes or optical sensors.
  • the substrate can also be, for example, a consumer good, for example a watch, a smartphone, a smartwatch or fingerprint sensors or displays of mobile phones or watches.
  • the substrate is a glass for a clock.
  • the substrate can be an object from the field of
  • Photovoltaic, solar thermal such as solar cells, architecture and / or the automotive industry.
  • the substrate is a sunroof of a car.
  • the substrate may be part of different products on the market.
  • the substrate is the end glass of an endoscope.
  • the coated article may also be new
  • optical coating for the Coated article according to the invention in a harsh environment, for example in desert climates, or in oil drilling systems
  • the coating can also be used in areas where equipment is sterilized, which is carried out at high pressure, for example 5 bar and / or high temperature, for example 135 ° C. These pressures or temperatures can be used in steam sterilization in the
  • the coated object an article or a product can be provided which is insensitive to abrasive stresses, wear, abrasion, shock, scratches and / or environmental influences, such as corrosion.
  • the optical coating has an anti-reflection, ie
  • visible reflection-reducing optical coatings which do not have sufficient hardness.
  • these coatings have a maximum hardness of the material of about 10 GPa.
  • the inventors have now recognized that by using an optical coating in a coated article according to claim 1, a coated article can be provided which is very hard and has a layer hardness of 60 to 100 GPa. Therefore, a superhard
  • Antireflection coating are provided on an object.
  • the coated article has an optical coating.
  • the optical coating is provided on an object.
  • Coating has a layer sequence, in particular a reflection-reducing layer sequence.
  • the layer sequence has a reflection or a degree of reflection of less than or equal to 3%, in particular less than 1% in the visible range, ie at least in one
  • Wavelength range from 420 nm to 680 nm.
  • the layer sequence comprises a cover layer.
  • Covering layer is here and below the layer of
  • Layer sequence meant the furthest to the substrate
  • the capping layer is the outermost layer of the optical coating.
  • Covering layer has a refractive index n ⁇ .
  • the cover layer comprises a material selected from the group consisting of alumina, silica, aluminum nitride,
  • Silicon nitride, crystalline alumina and a mixture of Al2O3 and S1O2 S1 3 N 4 or A1N includes.
  • the covering layer is formed from crystalline aluminum oxide and / or has a layer hardness of> 15 GPa, in particular> 20 GPa,
  • the hardness can be determined with nanoindentation or nanoindentor.
  • the diamond layer has a layer hardness of> 60 GPa.
  • the crystalline alumina may be, for example, an alpha alumina (corundum).
  • Alpha alumina has a refractive index of 1.77 at a wavelength of 550 nm.
  • Alpha alumina is very hard and has a hardness of 20 to 35 GPa.
  • gamma or beta alumina may be used instead of alpha alumina.
  • Aluminum oxide is only possible in crystalline aluminum oxide phases with high ion bombardment and at high temperatures. This is especially true for the alpha-alumina phase
  • Alpha-alumina is formed thermodynamically only from 1000 ° C.
  • the ion bombardment must be as high as possible. Therefore, it is possible in particular to work with biases on the substrate as well as with highly ionized plasmas (HiPIMS).
  • the bias must be especially at isolating
  • Substrate thickness medium frequencies up to approx. 300 kHz.
  • a radio frequency bias voltage can be used.
  • the cover layer has at most a refractive index n A of 1.76. As a result, a reflection of less than or equal to 1% can be achieved.
  • the covering layer comprises a mixture of aluminum oxide and silicon dioxide, that is to say one crystalline Al 2 O 3 -SiO 2 mixed layer, in particular a crystalline Al 2 O 3 -SiO 2 mixed layer on.
  • the refractive index of the covering layer may vary depending on the mixing ratio between the refractive index of alumina (1,7) and
  • Silicon dioxide (1.5) can be adjusted individually.
  • the mixed layer of aluminum oxide and silicon dioxide has the empirical formula a S1O2 * b Al2O3.
  • the mixing ratios a: b and layer thicknesses are in the EP
  • the covering layer has a layer thickness of from 10 nm to 300 nm, in particular from 50 nm to 150 nm, particularly preferably from 60 nm to 90 nm.
  • individual layer thicknesses are very specific to the stack design or layer sequence used.
  • the coated article has at least one diamond layer.
  • Diamond layer has a refractive index np ] _ on.
  • Refractive index is in particular greater than the refractive index n ⁇ of the cover layer.
  • the diamond layer is disposed between the cover layer and the substrate.
  • Layer is arranged directly in direct mechanical contact or in indirect contact with one of the two other layers and in direct mechanical contact or in indirect contact with the other of the two other layers. In this case, in indirect contact then more layers between one and at least one of the other two
  • the diamond layer may include diamond crystals.
  • the diamond crystals have one
  • the diamond layer consists of
  • Diamond crystals The diamond layer is by means of chemical
  • the diamond layer is produced by means of HFCVD (hot filament CVD, hot-wire vapor deposition). In the HFCVD or in others
  • Diamond production processes are subject to high temperatures and extreme conditions because of the presence of atomic hydrogen.
  • a gaseous hydrocarbon such as methane
  • a reaction chamber wherein the process gases are hydrogen and a gaseous
  • Hydrocarbon usually methane, and optionally also admixtures of oxygen on a hot wire, such as tungsten, molybdenum or tantalum, at a temperature of 800 to 2500 ° C, for example 2000 to 2500 ° C, are decomposed.
  • a hot wire such as tungsten, molybdenum or tantalum
  • Diamond layer on a higher grain boundary density This reduces the hardness of the diamond layer and can too
  • At least one diamond layer is the attainment of very high and uniform nucleation densities of> 10-2 cm ⁇ 2 in an adapted to the foregoing coatings
  • Layer of layers produced diamond layer must be stable to the prevailing in hot wire gas phase process high temperatures, for example, 600 to 900 ° C. Alternatively, you can work in a process with lower substrate temperatures up to 500 ° C. Furthermore, the layers of the layer sequence must be stable to the action of atomic hydrogen.
  • Hydrogen radicals may chemically reduce previous oxide layers, for example, first layers and / or second layers, resulting in substoichiometric
  • Boundary layers with altered optical properties could result.
  • those before the at least one Diamond layer deposited layers of the layer sequence compatible and / or stable to high temperatures at least between 500 and 900 ° C, in particular between 600 ° C and 900 ° C.
  • the diamond layer has a low scattering, high transmission and / or good stoichiometry
  • the seed layer is formed very thin.
  • Diamond layer on a layer thickness of ⁇ 500 nm.
  • the diamond layer has a layer thickness of 50 to 200 nm, in particular 60 to 150 nm, for example 130 nm.
  • the diamond layer which is produced in particular by hot-wire vapor deposition, has a high optical transparency.
  • a layer is called, which is permeable to visible light.
  • the transparent layer can be transparent or at least partially light-scattering and / or partially light-absorbing, so that the transparent layer can also be translucent, for example, diffuse or milky.
  • the layer designated here as transparent as possible is translucent, so that in particular the absorption and also the scattering of
  • the diamond layer is homogeneous and / or uniformly shaped.
  • the diamond layer has a nearly uniform layer thickness, for example a uniform one Layer thickness, with a tolerance of less than or equal to 10 or 1%.
  • This homogeneous layer thickness can be generated in particular by means of hot-wire vapor deposition.
  • specifications must be met which far exceed those of other technology fields in which diamond layers are otherwise used. The exceptionally high
  • Thickness uniformity is due to special adjustments of the
  • Layer thicknesses can be the translational or rotational movement of the substrate during the coating, with the remaining residual uniformities being averaged out.
  • the HFCVD process offers particularly good preconditions compared to other processes which are suitable for diamond coating, because here there are no (high-frequency) electric fields at or in the vicinity of the substrate
  • the substrate surfaces Be flow of the substrate surfaces with the process gases. According to at least one embodiment, the
  • Layer sequence at least four layers, in particular at least five or six or seven layers on. Of these, one or more layers may be diamond layers. Alternatively or additionally, the layer sequence has at most twelve layers, for example a total of five or seven layers. In principle, the number of layers is not limited to the top. In particular, at least one diamond layer and a covering layer are part of the
  • the optical coating should not exceed a number of layers of twelve.
  • the diamond layer has a layer thickness of less than or equal to 300 nm.
  • the layer sequence is a composite, so that the complete stack is to be examined.
  • the production of the diamond layer is the most expensive. Therefore, it is advantageous if possible only a diamond layer within the
  • the method is also applicable to a layer stack having more than one diamond layer.
  • the diamond layer is arranged between the cover layer and a second layer with a refractive index ri2 ⁇ np ] _.
  • the cover layer and the diamond layer are in particular in direct mechanical contact with each other.
  • a first layer is disposed having a refractive index n] _ between the diamond layer and the cover layer.
  • Alumina can be formed with a hardness of> 20 GPa.
  • an optical coating can be provided for an article which is a superhard one
  • Broadband antireflective coating for any application provides.
  • Alumina sinoped-semiconductor
  • the optical coating that has a high layer hardness, especially when properly matched layer thicknesses, and a high anti-reflection function. According to at least one embodiment, the
  • Diamond layer has a refractive index of 2.4 at 550 nm.
  • Alumina can be realized, in particular by using further underlying layers necessary for the optics, a new super-hard antireflective coating for an article which far exceeds the stability of the hitherto known coatings.
  • a durable optical coating can be provided for any application.
  • Layer a material selected from the group 1O2 (refractive index 2.45-2.65), b2Ü5 (refractive index 2.3), Al2O3 (refractive index 1.60-1.77), S13N4 (refractive index 1.9 to 2.1), Hf02 (refractive index 2, 08) and Zr02
  • Al 2 O 3 is used for the second layer, since titanium dioxide has a high refractive index of 2.45
  • Niobium oxide has, however, is very soft.
  • Niobium oxide has a refractive index of 2.3, but is softer than
  • Titanium dioxide
  • the cover layer is stabilized and supported, so that the optical coating has a higher overall stability.
  • the optical coating is in particular very scratch resistant.
  • the first layer comprises or consists of silicon dioxide.
  • Silica has a refractive index of 1.45. According to at least one embodiment, the
  • Layer sequence additionally one or more pairs of layers.
  • the pairs of layers are arranged directly downstream of the substrate, ie in direct mechanical contact.
  • Layer pairs each have at least one first layer, in particular a first layer, with a refractive index n ] _ and at least one second layer, in particular a second layer, with a refractive index n2> n ] _.
  • Diamond layer is between the first and second layers arranged a layer pair. Alternatively or additionally, the diamond layer is arranged directly downstream of one or more pairs of layers, ie in direct mechanical contact. Over the diamond layer, the cover layer is arranged. "Above" here and below means that one layer is disposed directly in direct mechanical and / or electrical contact on the other layer. Furthermore, it may also mean that the one layer is arranged indirectly above the other layer. It can then more layers between the one and the other layer
  • x 0.7 ⁇ x ⁇ 1.
  • the layer sequence is for transmission of radiation having a dominant
  • Wavelength ⁇ suitable The following applies: for the thickness of the
  • Layer sequence at least one additional diamond layer, hereinafter referred to as second diamond layer, with a Refractive index n ⁇ on.
  • the second diamond layer is disposed between the cap layer and the substrate.
  • the second diamond layer is disposed between the first diamond layer and the substrate.
  • the two diamond layers are separated by a first layer having a refractive index n] _ and / or by a second layer having a refractive index RI2 each other.
  • Covering layer is in particular directly downstream of one of the diamond layers, in particular the first diamond layer.
  • > n ] _ + 0.4 and / or n] _> r ⁇ 2 + 0.2 and / or ⁇ ⁇ 2> n 2 + 0.2 and / or ⁇ ⁇ ] _ ⁇ ⁇ 2
  • n2 + n D2
  • the first layer may be formed of silicon dioxide and / or the second layer may be formed of aluminum oxide. This can be a coated object
  • the invention further relates to a method for producing a coated article.
  • the same explanations and definitions as described above for the article also apply to the method and vice versa.
  • the method has the
  • Gas phase deposition such as hot wire vapor deposition or microwave CVD is generated and then the cover layer is produced by magnetron sputtering.
  • the pretreatment and vapor deposition, in particular hot wire vapor deposition, are to be designed such that the most uniform and absorption-free
  • Diamond layer is grown and a stable interface between the diamond layer and the adjacent layers or the substrate arise.
  • Absorbency of the diamond layer can by the
  • microwave activated CVD can be achieved.
  • the diamond layer is directly followed by a silicon nitride layer.
  • Silicon nitride layer has in particular a layer thickness of a few nanometers or some 10 nm to a few 100 nm, for example between 20 nm and 300 nm.
  • the diamond surface can be protected from ion bombardment by the subsequent coatings, for example by means of magnetron sputtering, and the adhesion of the diamond layer to adjacent oxidic layers can be improved.
  • the silicon nitride layer can be produced in particular by hot-wire vapor deposition and / or magnetron sputtering.
  • magnetron sputtering is in particular the pulsed
  • magnetron sputtering involves the high power impulse magnetron
  • oxide-containing and / or nitride-containing layers are produced by means of magnetron sputtering.
  • the vapor deposition in particular hot-wire vapor deposition, is used here for applying the at least one diamond layer.
  • diamond layers with a uniform layer thickness can be produced.
  • diamond layers can be produced on surfaces of 500 ⁇ 1000 mm 2.
  • the diamond layers are thin and defect-free. This can be achieved in particular by carrying out highly potent germination procedures.
  • Apparatus It can thereby be made possible that both the application of oxide and / or nitridic layers by means of magnetron sputtering as well as the deposition of at least one diamond layer in an apparatus. This saves costs, material, time and space. In addition, a vacuum break between the individual coatings can be avoided, whereby the adhesion between the individual layers potentially can be improved. In addition, one can
  • Coating plant that combines both deposition processes, offering the possibility of economically producing layer systems with more than one diamond layer.
  • the combination of hot wire vapor deposition for diamond layers and magnetron sputtering for oxide and / or nitridic layers ensures that a coated article is provided having a stable, scratch resistant and hard optical coating.
  • magnetron sputtering instead of magnetron sputtering, too
  • Electron beam evaporation take place and instead of hot wire vapor deposition, other methods for
  • Diamond deposition can be used, for example
  • a coated article with an optical coating which in particular has a dielectric layer sequence with at least one
  • Diamond layer has.
  • the diamond layer can take the position of a high refractive index layer.
  • the diamond layer may be on a sputtered oxide layer and on the
  • Diamond layer in turn applied an oxide layer.
  • inventive optical coatings for an article have a high hardness, scratch resistance, high stability even against environmental influences and also a very low residual reflection.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a coated article according to an embodiment, a schematic illustration of a coated article according to an embodiment, the reflectance in percent as a function of the wavelength ⁇ in nm of a comparative example and of two exemplary embodiments, and a schematic representation of a coated article according to FIG an embodiment.
  • identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are not to be regarded as true to scale. Rather, individual elements, such as layers, for the better
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a coated article 100.
  • the coated article 100 has a substrate 1.
  • the substrate 1 can be any suitable substrate.
  • a first layer 6 Downstream of the substrate is a first layer 6 with a first layer 6 .
  • the first layer 6 may comprise, for example, silicon oxide or silicon dioxide or from it consist.
  • the first layer 6 is followed by a second layer 7 with a refractive index ri2.
  • the second layer 7 may for example consist of aluminum oxide or
  • the second layer 7 is followed by a further first layer 6, which in turn
  • This further first layer 6 is in turn subordinate to a further second layer 7, for example
  • the coated article 100 thus has as an optical coating 2 a
  • the diamond layer 5 has a layer thickness of 50 nm to 150 nm, for example 130 nm.
  • the diamond layer 5 is directly followed by a further first layer 6, which comprises, for example, silicon oxide or silicon dioxide.
  • This further first layer 6, the cover layer 4 is arranged downstream of the uppermost layer.
  • the cover layer 4 may be, for example, crystalline
  • the coated article 100 according to FIG. 1 thus has a layer sequence 3 consisting of seven
  • the layer sequence 3 may in particular have a layer thickness of 540 nm in total.
  • a coated article 100 can be provided which has a scratch-resistant and hard antireflective coating 2 for at least the visible spectral range.
  • FIG. 2 shows a coated article 100 according to an embodiment.
  • the coated article 100 has a substrate 1.
  • the substrate 1 is followed by a layer sequence 3 of an optical coating 2.
  • Layer sequence 3 comprises two second layers 7 each having a refractive index of ri 2 ⁇ one of the two second ones
  • Layers 7 are arranged directly on the substrate 1.
  • the second layer 7 is a first layer 6 with a
  • the first layer 6 is followed by a further second layer 7.
  • the further second layer 7 is followed by a diamond layer 5.
  • Diamond layer 5 is a cover layer 4 downstream.
  • the cover layer 4 is the outermost layer of the optical
  • the diamond layer 5 is the penultimate layer 5 of the optical coating 2, which follows directly after the covering layer 4.
  • the coated article 100 according to FIG. 2 thus has a layer sequence 3 consisting of five layers.
  • the total thickness of the optical coating 2 may be about 540 nm.
  • the cover layer 4 has
  • silica is blended to reduce the refractive index of alumina (1.7).
  • FIG. 3 shows a graphical representation of the reflection or the degree of reflection R in percent (%) as a function of the wavelength in nanometers (nm).
  • Coated article 100 according to FIG. 2 shows a reflectance R between 1.8% and 3% in the visible
  • Figure C shows the percent reflectance of sapphire in a wavelength range of 360 nm to 800 nm. Sapphire shows a reflectance of about 8%. All reflection values
  • Reflection or reflectance refers here and below to the relationship between reflected and incident intensity.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a
  • coated article 100 according to one embodiment.
  • the coated article 100 shows a substrate 1. On the substrate 1 is an optical coating 2 with a
  • the reflection-reducing layer sequence 3 is arranged.
  • the layer sequence 3 has two diamond layers 5, 8.
  • the first diamond layer 5 is arranged directly below the cover layer 4.
  • the two diamond layers 5, 8 are each separated by a first layer having a refractive index n ] _ and / or a second layer having a refractive index ri2 6, 7.
  • np ] _> n ] _ + 0.8 and n ⁇ 2> n] _ + 0.8 and / or n ⁇ ] _> r ⁇ 2 + 0.4 and n ⁇ 2> n 2 + 0.4 and / or np] _ np2 ⁇
  • the first layer 6 is formed of silicon dioxide.
  • the second layer 7 is made
  • the cover layer 4 is formed in particular from crystalline aluminum oxide. Alternatively, more than two diamond layers 5, 8 in one
  • coated article 100 are introduced.
  • the production of the diamond layer by means of hot-wire vapor deposition is particularly complex. Therefore, it is preferable to have as few diamond layers as possible in a coated one

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen beschichteten Gegenstand (100), der ein Substrat (1) und eine auf dem Substrat (1) angeordnete optische Beschichtung (2) umfasst, wobei die optische Beschichtung (2) eine reflexionsvermindernde Schichtenfolge (3) aufweist, die eine Abdeckschicht (4) mit einem Brechungsindex nA und mindestens eine Diamantschicht (5) mit einem Brechungsindex nD1> nA umfasst, wobei die Diamantschicht (5) zwischen der Abdeckschicht (4) und dem Substrat (1) angeordnet ist und Diamantkristalle aufweist oder daraus besteht, wobei die Diamantschicht (4) eine Schichtdicke von kleiner 500 nm aufweist.

Description

Beschreibung
BESCHICHTETER OPTISCHER GEGENSTAND UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BESCHICHTETEN OPTISCHEN GEGENSTANDS
Die Erfindung betrifft einen beschichteten Gegenstand. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Gegenstandes. Gegenstände mit einer Beschichtung, insbesondere mit einer Antireflexbeschichtung für den sichtbaren Bereich, werden industriell breit eingesetzt. Es sind daher an diese
beschichteten Gegenstände hohe Anforderungen gestellt, da sie zum Teil starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Heutige Beschichtungen zeigen allerdings bei scheinbar relativ anspruchslosen Tests, beispielsweise dem
Sandrieseltest, nach kurzer Zeit starken Verschleiß durch Eintrübung oder durch Abrieb. Daher sind Beschichtungen notwendig, die dauerhafte abrasive Beanspruchungen teilweise unter extremen Bedingungen überstehen und unempfindlich gegen Stöße sind.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen stabilen und reflexionsvermindernden oder reflexionsminderten
beschichteten Gegenstand bereitzustellen. Insbesondere soll die Beschichtung des beschichteten Gegenstands - neben einer geringen Reflexion - eine hohe Härte und/oder Kratzfestigkeit aufweisen . Diese Aufgabe wird durch einen beschichteten Gegenstand gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Gegenstandes gemäß dem Anspruch 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des
Verfahrens sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs 10.
In zumindest einer Ausführungsform umfasst der beschichtete Gegenstand ein Substrat. Auf dem Substrat ist eine optische Beschichtung angeordnet. Die optische Beschichtung weist eine reflexionsvermindernde Schichtenfolge auf. Die
reflexionsvermindernde Schichtenfolge weist auf oder umfasst eine Abdeckschicht mit einem Brechungsindex n^ und mindestens eine Diamantschicht mit einem Brechungsindex np]_ > n^. Die Diamantschicht ist zwischen der Abdeckschicht und dem
Substrat angeordnet. Die Diamantschicht weist
Diamantkristalle auf. Insbesondere besteht die Diamantschicht aus Diamantkristallen oder Diamantnanokristallen . Die
Diamantschicht weist eine Schichtdicke von < 500 nm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
reflexionsvermindernde Schichtenfolge einen Reflexionsgrad von kleiner oder gleich 3 %, insbesondere von kleiner als 1 %, auf. Alternativ oder zusätzlich weist die Diamantschicht eine Transmission von größer als 80 %, insbesondere größer 90 %, beispielsweise über 95 %, zumindest in einem
Wellenlängenbereich von 420 nm bis 680 nm, also im sichtbaren Wellenlängenbereich, auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
reflexionsvermindernde Schichtenfolge einen Reflexionsgrad von kleiner 1 % in einem Wellenlängenbereich von 420 nm bis 680 nm auf. Zusätzlich kann die Diamantschicht zwischen der Abdeckschicht und einer zweiten Schicht mit einem
Brechungsindex ri2 < np]_ angeordnet sein, wobei die Abdeckschicht und die Diamantschicht direkt mechanisch in Kontakt stehen und/oder wobei zwischen der Diamantschicht und der Abdeckschicht eine erste Schicht mit einem Brechungsindex n]_ angeordnet ist, wobei gilt: np]_ > ri2 > nl .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
beschichtete Gegenstand ein Substrat. Das Substrat kann jeder Gegenstand sein, der zur Beschichtung geeignet ist.
Insbesondere ist das Substrat aus Glas, wie Quarzglas, oder Saphir geformt. Insbesondere besteht das Substrat aus einem transparenten Werkstoff, wie Glas, Quarzglas oder Saphir. Das Substrat kann eine optische Komponente sein. Optische
Komponenten sind beispielsweise Linsen, insbesondere für Ferngläser, Endoskope oder optische Sensoren. Das Substrat kann beispielsweise auch ein Konsumgut, beispielsweise eine Uhr, ein Smartphone, eine Smartwatch oder Fingerprint- Sensoren oder Displays von Mobiltelefonen oder Uhren sein. Insbesondere ist das Substrat ein Glas für eine Uhr. Das Substrat kann ein Gegenstand aus dem Bereich der
Photovoltaik, Solarthermie, beispielsweise Solarzellen, der Architektur und/oder der Automobilbranche sein.
Beispielsweise ist das Substrat ein Sonnendach eines Autos. Das Substrat kann Bestandteil unterschiedlicher Produkte auf dem Markt sein.
Das Substrat kann ein Gegenstand aus dem Bereich der
Medizintechnik sein. Beispielsweise ist das Substrat das Abschlussglas eines Endoskops. Insbesondere kann der beschichtete Gegenstand auch neue
Anwendungen finden, in denen herkömmliche beschichtete
Gegenstände bisher noch nicht eingesetzt wurden.
Beispielsweise kann die optische Beschichtung für den erfindungsgemäßen beschichteten Gegenstand in rauer Umgebung, beispielsweise bei Wüstenklima, oder in Ölbohrsystemen
Anwendung finden. Die Beschichtung kann auch Anwendung finden in Bereichen, in denen Geräte sterilisiert werden, was bei hohem Druck, beispielsweise 5 bar und/oder hoher Temperatur, beispielsweise 135°C, durchgeführt wird. Diese Drücke oder Temperaturen können bei einer DampfSterilisation im
Autoklaven vorliegen. Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Verwendung einer optischen Beschichtung auf einem erfindungsgemäßen
beschichteten Gegenstand ein Gegenstand oder ein Produkt bereitgesellt werden kann, das unempfindlich gegenüber abrasiven Beanspruchungen, Verschleiß, Abrieb, Stöße, Kratzer und/oder Umwelteinflüssen, wie Korrosion, ist. Zudem weist die optische Beschichtung eine Antireflexion, also
insbesondere eine Reflexion von weniger als 1 % im sichtbaren Bereich auf. Insbesondere weist der erfindungsgemäße
Gegenstand gemäß Anspruch 1 im Vergleich zu anderen schon existierenden technischen Lösungen eine extreme
Kratzbeständigkeit auf.
Bisher sind reflexionsvermindernde optische Beschichtungen für den sichtbaren Bereich bekannt, welche keine ausreichende Härte aufweisen. Beispielsweise weisen diese Beschichtungen eine maximale Härte des Materials von zirka 10 GPa auf. Die Erfinder haben nun erkannt, dass durch die Verwendung einer optischen Beschichtung in einem beschichteten Gegenstand gemäß Anspruch 1 ein beschichteter Gegenstand bereitgestellt werden kann, der sehr hart ist und Schichthärten von 60 bis 100 GPa aufweist. Daher kann eine superharte
Antireflexbeschichtung auf einem Gegenstand bereitgestellt werden . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der beschichtete Gegenstand eine optische Beschichtung auf. Die optische
Beschichtung weist eine Schichtenfolge, insbesondere eine reflexionsvermindernde Schichtenfolge, auf. Mit
reflexionsvermindernd ist hier und im Folgenden gemeint, dass die Schichtenfolge eine Reflexion oder einen Reflexionsgrad von kleiner oder gleich 3 %, insbesondere kleiner 1 % im sichtbaren Bereich, also zumindest in einem
Wellenlängenbereich von 420 nm bis 680 nm aufweist.
Die Schichtenfolge umfasst eine Abdeckschicht . Mit
Abdeckschicht ist hier und im Folgenden die Schicht der
Schichtenfolge gemeint, die dem Substrat am weitesten
abgewandt ist. Mit anderen Worten ist die Abdeckschicht die äußerste Schicht der optischen Beschichtung. Die
Abdeckschicht weist einen Brechungsindex n^ auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Abdeckschicht ein Material auf, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Aluminiumnitrid,
Siliziumnitrid, kristallines Aluminiumoxid und eine Mischung aus AI2O3 und S1O2 S13N4 oder A1N umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Abdeckschicht aus kristallinem Aluminiumoxid geformt und/oder weist eine Schichthärte von > 15 GPa, insbesondere > 20 GPa,
beispielsweise 25 GPa oder 30 GPa, auf. Die Härte kann mit Nanoindentierung oder Nanoindentor bestimmt werden.
Alternativ oder zusätzlich weist die Diamantschicht eine Schichthärte von > 60 GPa auf.
Nicht nur die Härte allein ist entscheidend für die Eignung der Schicht in einer optischen Beschichtung. Daher können neben der etablierten Nanoindentierung zur Bestimmung der Härte auch praxisnahe Tests, beispielsweise TABER-ABRASER und/oder der Sandrieseltest verwendet werden. Ergänzend können auch weitere Untersuchungen, beispielsweise über die Autoklavierbarkeit , durchgeführt werden.
Das kristalline Aluminiumoxid kann beispielsweise ein Alpha- Aluminiumoxid (Korund) sein. Alpha-Aluminiumoxid weist einen Brechungsindex von 1,77 bei einer Wellenlänge von 550 nm auf. Alpha-Aluminiumoxid ist sehr hart und weist eine Härte von 20 bis 35 GPa auf. Alternativ oder zusätzlich kann statt Alpha- Aluminiumoxid Gamma- oder Beta-Aluminiumoxid verwendet werden .
Aluminiumoxid ist in kristallinen Aluminiumoxidphasen nur mit hohem Ionenbeschuss und bei hohen Temperaturen realisierbar. Das gilt insbesondere für die Alpha-Aluminiumoxidphase
(Saphir) . Alpha-Aluminiumoxid entsteht thermodynamisch erst ab 1000 °C. Für eine Kristallisierung der
Aluminiumoxidschicht muss der Ionenbeschuss so hoch wie möglich sein. Daher kann insbesondere mit Bias am Substrat als auch mit hochionisierten Plasmen (HiPIMS) gearbeitet werden. Die Bias müssen insbesondere bei isolierenden
Substraten hochfrequent sein. Hierbei reichen je nach
Substratdicke mittlere Frequenzen bis ca. 300 kHz. Alternativ kann eine Radiofrequenz Biasspannung verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Abdeckschicht höchstens einen Brechungsindex nA von 1,76 auf. Dadurch kann eine Reflexion von kleiner oder gleich 1 % erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Abdeckschicht eine Mischung aus Aluminiumoxid und Siliziumdioxid, also eine kristalline AI2O3-S1O2 Mischschicht, insbesondere eine kristalline -Al203-Si02 Mischschicht, auf. Damit kann der Brechungsindex der Abdeckschicht je nach Mischverhältnis zwischen dem Brechungsindex von Aluminiumoxid (1,7) und
Siliziumdioxid (1,5) individuell eingestellt werden.
Allerdings wird durch das Beimischen von Siliziumdioxid die Kristallisierung erschwert und die Härte reduziert.
Insbesondere weist die Mischschicht aus Aluminiumoxid und Siliziumdioxid die Summenformel a S1O2 * b AI2O3 auf. Die Mischverhältnisse a:b und Schichtdicken sind in der EP
2628818 AI angegeben. Der Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung wird hiermit durch Rückbezug aufgenommen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Abdeckschicht eine Schichtdicke von 10 nm bis 300 nm, insbesondere von 50 nm bis 150 nm, besonders bevorzugt von 60 nm bis 90 nm auf. Insbesondere hängen einzelne Schichtdicken sehr speziell vom verwendeten Stapeldesign oder Schichtenfolge ab. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der beschichtete Gegenstand mindestens eine Diamantschicht auf. Die
Diamantschicht weist einen Brechungsindex np]_ auf. Der
Brechungsindex ist insbesondere größer als der Brechungsindex n^ der Abdeckschicht. Die Diamantschicht ist zwischen der Abdeckschicht und dem Substrat angeordnet.
Dass eine Schicht zwischen zwei anderen Schichten angeordnet ist, kann hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine
Schicht unmittelbar in direktem mechanischem Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zur einen der zwei anderen Schichten und in direktem mechanischem Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zur anderen der zwei anderen Schichten angeordnet ist. Dabei können bei mittelbarem Kontakt dann weitere Schichten zwischen der einen und zumindest einer der zwei anderen
Schichten angeordnet sein.
Die Diamantschicht kann Diamantkristalle aufweisen.
Insbesondere weisen die Diamantkristalle einen
polykristallinen und/oder nanokristallinen Schichtaufbau auf. Insbesondere besteht die Diamantschicht aus
Diamantkristallen . Die Diamantschicht ist mittels chemischer
Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD)
erhältlich. Insbesondere wird die Diamantschicht mittels HFCVD (hot filament CVD, Heißdraht-Gasphasenabscheidung) erzeugt. Bei der HFCVD oder auch bei anderen
Herstellungsverfahren für Diamant herrschen hohe Temperaturen und extreme Bedingungen, da atomarer Wasserstoff vorhanden ist .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Gasphasenabscheidung Plasma-CVD.
Dabei kann ein gasförmiger Kohlenwasserstoff, wie Methan, in Wasserstoff in einer Reaktionskammer eingeleitet werden, wobei die Prozessgase Wasserstoff und ein gasförmiger
Kohlenwasserstoff, meistens Methan, und sowie gegebenenfalls auch noch Beimengungen von Sauerstoff an einem heißen Draht, beispielsweise aus Wolfram, Molybdän oder Tantal, bei einer Temperatur von 800 bis 2500 °C, beispielsweise 2000 bis 2500 °C, zerlegt werden. Das zerlegte Prozessgas führt zur
Abscheidung von Diamant auf dem Substrat.
Alternativ ist auch eine Herstellung von Diamantschichten mittels Plasma-CVD möglich. Hierbei können Radiofrequenz- Wellen, bevorzugt aber Mikrowellen verwendet werden. Hierbei werden die freien Radikale nicht wie bei der HFCVD
katalytisch durch heiße Drähte, sondern durch das Plasma erzeugt .
Um optische Streuung in der zumindest einen Diamantschicht zu vermeiden, müssen die Abmessungen der entstehenden
Kristallstrukturen deutlich unter der Wellenlänge des
sichtbaren Lichts liegen. Dies erfordert eine sehr
defektfreie und möglichst feinkristalline poly- und/oder nanokristalline Schicht. Im Vergleich zu einer Diamantschicht mit grobkristallinen Schichten weist die zumindest eine
Diamantschicht eine höhere Korngrenzendichte auf. Dies reduziert die Härte der Diamantschicht und kann zu
Absorptionsverlusten führen. Voraussetzung zur Herstellung der zumindest einen Diamantschicht ist das Erreichen von sehr hohen und uniformen Keimdichten von > 10--2 cm~2 in einem auf die vorangehenden Beschichtungen angepassten
Vorbehandlungsschritt .
Speziell die vor der Auftragung der zumindest einen
Diamantschicht hergestellten Schichten der Schichtenfolge müssen stabil gegenüber den im Heißdraht-Gasphasenprozess herrschenden hohen Temperaturen von beispielsweise 600 bis 900 °C sein. Alternativ kann auch in einem Prozess mit niedrigeren Substrattemperaturen bis 500°C gearbeitet werden. Ferner müssen die Schichten der Schichtenfolge gegenüber der Wirkung von atomarem Wasserstoff stabil sein.
Wasserstoffradikale können vorangehende Oxidschichten, beispielsweise erste Schichten und/oder zweite Schichten, chemisch reduzieren, was zu substöchiometrischen
Grenzschichten mit veränderten optischen Eigenschaften führen könnte. Insbesondere sind die vor der zumindest einen Diamantschicht abgeschiedenen Schichten der Schichtenfolge kompatibel und/oder stabil gegenüber hohen Temperaturen zumindest zwischen 500 und 900 °C, insbesondere zwischen 600 °C und 900 °C.
Insbesondere weist die Diamantschicht eine geringe Streuung, hohe Transmission und/oder gute Stöchiometrie auf, da
insbesondere ein geringer Einfluss der Keimschicht vorhanden ist. Insbesondere ist die Keimschicht sehr dünn ausgeformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Diamantschicht eine Schichtdicke von < 500 nm auf.
Insbesondere weist die Diamantschicht eine Schichtdicke von 50 bis 200 nm, insbesondere 60 bis 150 nm, beispielsweise 130 nm, auf.
Die Diamantschicht, die insbesondere durch Heißdraht- Gasphasenabscheidung erzeugt ist, weist eine hohe optische Transparenz auf. Mit transparent wird hier und im Folgenden eine Schicht bezeichnet, die durchlässig für sichtbares Licht ist. Dabei kann die transparente Schicht klar durchscheinend oder zumindest teilweise lichtstreuend und/oder teilweise lichtabsorbierend sein, so dass die transparente Schicht beispielsweise auch diffus oder milchig durchscheinend sein kann. Besonders bevorzugt ist die hier als transparent bezeichnete Schicht möglichst lichtdurchlässig, so dass insbesondere die Absorption und auch die Streuung von
sichtbarem Licht so gering wie möglich sind. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Diamantschicht homogen und/oder uniform ausgeformt. Damit ist hier und im Folgenden gemeint, dass die Diamantschicht eine nahezu gleichmäßige Schichtdicke, beispielsweise eine einheitliche Schichtdicke, mit einer Toleranz von kleiner oder gleich 10 oder 1 % aufweist. Diese homogene Schichtdicke kann insbesondere mittels Heißdraht-Gasphasenabscheidung erzeugt werden. Insbesondere müssen bezüglich der Schichtuniformität Spezifikationen erfüllt werden, die weit über denen von anderen Technologiefeldern liegen, in denen Diamantschichten sonst eingesetzt werden. Die außergewöhnlich hohe
Dickenuniformität wird durch spezielle Anpassungen des
Beschichtungsprozesses erreicht, im HFCVD-Prozess
beispielsweise durch extrem genaue Kontrolle des Abstandes der Aktivierungsdrähte zur Substratoberfläche und der
Anordnung der Drähte untereinander, um so eine möglichst gleichförmige Aktivierung der Gasphase zu erreichen. Eine weitere Maßnahme zur Realisierung besonders homogener
Schichtdicken kann die translatorische oder rotatorische Bewegung des Substrates während der Beschichtung, mit der verbleibende Restuniformitäten ausgemittelt werden, sein. Speziell das HFCVD-Verfahren bietet gegenüber anderen für die Diamantbeschichtung infrage kommenden Verfahren besonders gute Voraussetzungen, weil hier keine (hochfrequenten) elektrischen Felder am oder in der Nähe des Substrats
benötigt werden. Es können für das Erreichen einer besonders uniformer Diamantabscheidung speziell an den Rändern der zu beschichtenden Substraten spezielle Umstellungskörper und Masken eingesetzt werden, mit denen Kantenüberhöhungen reduziert werden. Eine weitere erprobte Maßnahme zur
Steuerung der Schichtdickenverteilung kann die gezielte
Anströmung der Substratoberflächen mit den Prozessgasen sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Schichtenfolge mindestens vier Schichten, insbesondere mindestens fünf oder sechs oder sieben Schichten, auf. Davon können eine oder mehrere Schichten Diamantschichten sein. Alternativ oder zusätzlich weist die Schichtenfolge höchstens zwölf Schichten, beispielsweise insgesamt fünf oder sieben Schichten, auf. Prinzipiell ist die Anzahl der Schichten nach oben hin nicht limitiert. Insbesondere sind zumindest eine Diamantschicht und eine Abdeckschicht Bestandteil der
Schichtenfolge. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte die optische Beschichtung eine Schichtanzahl von zwölf nicht überschreiten. Insbesondere weist die Diamantschicht eine Schichtdicke von kleiner oder gleich 300 nm auf.
Die Schichtenfolge ist ein Verbund, sodass der komplette Stapel zu untersuchen ist. Die Herstellung der Diamantschicht ist dabei am aufwändigsten. Daher ist es von Vorteil, möglichst nur eine Diamantschicht innerhalb der
Schichtenfolge zu verwenden. Abgesehen von diesem praktischen Grund ist das Verfahren aber auch auf einen Schichtenstapel, der mehr als eine Diamantschicht aufweist, anwendbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Diamantschicht zwischen der Abdeckschicht und einer zweiten Schicht mit einem Brechungsindex ri2 < np]_ angeordnet. Die Abdeckschicht und die Diamantschicht stehen insbesondere in direktem mechanischem Kontakt zueinander. Alternativ ist zwischen der Diamantschicht und der Abdeckschicht eine erste Schicht mit einem Brechungsindex n]_ angeordnet. Dabei gilt: np]_ > ri2 > n]_ . Mit „direkt angeordnet" bedeutet hier und im Folgenden, dass die eine Schicht unmittelbar in direktem mechanischem Kontakt auf der anderen Schicht angeordnet ist. Mit anderen Worten wird hier insbesondere ein beschichteter Gegenstand bereitgestellt, der zumindest als zweitoberste oder drittoberste Schicht der optischen Beschichtung eine Diamantschicht aufweist. Die Abdeckschicht bildet dann die oberste Schicht der optischen Beschichtung. Durch den Einbau einer Diamantschicht in eine optische Beschichtung,
insbesondere für den sichtbaren Spektralbereich (420 bis 680 nm) kann eine harte und stabile optische Beschichtung
bereitgestellt werden, weil der Diamant eine von keinem anderen Werkstoff zu überbietende Härte von > 60 GPa
aufweist .
Zusätzlich kann die Abdeckschicht aus kristallinem
Aluminiumoxid mit einer Härte von > 20 GPa ausgeformt sein. Damit kann eine optische Beschichtung für einen Gegenstand bereitgestellt werden, der eine superharte
Breitbandantireflexbeschichtung für jegliche Anwendungen bereitstellt. Insbesondere zeigt die Kombination von
kristallinem Diamant in Kombination mit kristallinem
Aluminiumoxid (Saphir) eine optische Beschichtung, die eine hohe Schichthärte, insbesondere bei richtiger Abstimmung der Schichtdicken, und eine hohe Antireflexfunktion aufweist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Diamantschicht einen Brechungsindex von 2,4 bei 550 nm auf. Durch die Kombination der Materialien von Diamant und
Aluminiumoxid kann insbesondere unter Verwendung weiterer darunterliegender, für die Optik notwendiger Schichten eine neue superharte Antireflexbeschichtung für einen Gegenstand realisiert werden, die die bisher bekannten Beschichtungen in ihrer Stabilität bei weitem übertrifft.
Zudem kann eine widerstandsfähige optische Beschichtung für jegliche Anwendungen bereitgestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zweite
Schicht ein Material auf, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die 1O2 (Brechungsindex 2,45-2,65), b2Ü5 (Brechungsindex 2,3), AI2O3 (Brechungsindex 1,60-1,77), S13N4 (Brechungsindex 1,9 bis 2,1), Hf02 (Brechungsindex 2,08) und Zr02
(Brechungsindex 2,15) umfasst. Insbesondere gelten die in den Klammern angegebenen Brechungsindices für 550 nm.
Insbesondere wird AI2O3 für die zweite Schicht verwendet, da Titandioxid zwar einen hohen Brechungsindex von 2,45
aufweist, allerdings sehr weich ist. Nioboxid weist einen Brechungsindex von 2,3 auf, ist allerdings weicher als
Titandioxid .
Durch die Verwendung einer Diamantschicht mit einem hohen Brechungsindex und einer hohen Härte kann die gesamte
Schichtenfolge stabilisiert und gestützt werden. Damit wird auch die Abdeckschicht stabilisiert und gestützt, sodass die optische Beschichtung eine höhere Gesamtstabilität aufweist. Damit ist die optische Beschichtung insbesondere sehr stark kratzunempfindlich .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht Siliziumdioxid auf oder besteht daraus. Siliziumdioxid weist einen Brechungsindex von 1,45 auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Schichtenfolge zusätzlich eine oder mehrere Schichtenpaare auf. Die Schichtenpaare sind dem Substrat direkt, also in direktem mechanischem Kontakt, nachgeordnet. Die
Schichtenpaare weisen jeweils zumindest eine erste Schicht, insbesondere eine erste Schicht, mit einem Brechungsindex n]_ und mindestens eine zweite Schicht, insbesondere eine zweite Schicht, mit einem Brechungsindex n2 > n]_ auf. Die
Diamantschicht ist zwischen der ersten und zweiten Schicht eines Schichtenpaares angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist die Diamantschicht einem oder mehreren Schichtenpaaren direkt, also in direktem mechanischem Kontakt, nachgeordnet. Über der Diamantschicht ist die Abdeckschicht angeordnet. "Über" bedeutet hier und im Folgenden, dass eine Schicht unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt auf der anderen Schicht angeordnet ist. Weiterhin kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht mittelbar über der anderen Schicht angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten zwischen der einen und der anderen Schicht
angeordnet sein. Insbesondere sind die Abdeckschicht und die Diamantschicht in direktem mechanischem Kontakt zueinander angeordnet. Insbesondere kann gelten: np]_ > ri2 > n^ und n]_ < nA - n2 und nDl > Π2 + x * 0,6 mit 0,1 -S x -S 1. Insbesondere kann für x gelten: 0,7 < x < 1. Alternativ kann gelten: np]_ < n2 > nl und n]_ < Ώ.2 ^ n2.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schichtenfolge zur Transmission von Strahlung mit einer dominanten
Wellenlänge λ geeignet. Dabei gilt: für die Dicke der
Diamantschicht 0,1 λ/4 < np]_*dQ]_ ^ 1,3 λ/4 und/oder für die Dicke der Abdeckschicht 0,1 λ/4 < nA*d^ < 1,3 λ/4 und/oder für die Dicke der ersten Schicht 0,1 λ/4 < n^*d^ < 1,3 λ/4 und/oder für die Dicke der zweiten Schicht 0,1 λ/4 < n2*d2 ^ 1,3 λ/4. Insbesondere gilt: für die Dicke der Diamantschicht 0,3 λ/4 < nD^*dDi < 0,8 λ/4 und/oder für die Dicke der
Abdeckschicht 0,7 λ/4 < n^*d^ -S 1,3 λ/4 und/oder für die Dicke der ersten Schicht 0,7 λ/4 < n]_*d]_ ^ 1,3 λ/4 und/oder für die Dicke der zweiten Schicht 0,7 λ/4 < n2*d2 ^ 1,3 λ/4.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Schichtenfolge mindestens eine zusätzliche Diamantschicht, im Folgenden zweite Diamantschicht genannt, mit einem Brechungsindex n^ auf. Die zweite Diamantschicht ist zwischen der Abdeckschicht und dem Substrat angeordnet.
Insbesondere ist die zweite Diamantschicht zwischen der ersten Diamantschicht und dem Substrat angeordnet. Die beiden Diamantschichten werden jeweils durch eine erste Schicht mit einem Brechungsindex n]_ und/oder durch eine zweite Schicht mit einem Brechungsindex ri2 voneinander getrennt. Die
Abdeckschicht ist insbesondere einer der Diamantschichten, insbesondere der ersten Diamantschicht, direkt nachgeordnet. Dabei gilt:
Figure imgf000018_0001
> n]_ + 0,4 und/oder n]_ > r\2 + 0,2 und/oder η^2 > n2 + 0,2 und/oder η^]_ = η^2 · Insbesondere gilt:
und/oder n]_ > n2 +
Figure imgf000018_0002
= nD2-
Insbesondere kann die erste Schicht aus Siliziumdioxid geformt sein und/oder die zweite Schicht aus Aluminiumoxid geformt sein. Damit kann ein beschichteter Gegenstand
bereitgestellt werden, der eine harte und kratzfeste und gegen Umwelteinflüssen stabile optische Beschichtung
aufweist .
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Gegenstands. Dabei gelten die gleichen Ausführungen und Definitionen wie oben für den Gegenstand beschrieben auch für das Verfahren und umgekehrt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die
Verfahrensschritte auf: A) Bereitstellen eines Substrats und
B) Aufbringen einer reflexionsvermindernden Schichtenfolge, wobei die zumindest eine Diamantschicht mittels Gasphasenabscheidung, insbesondere chemischer
Gasphasenabscheidung, beispielsweise Heißdraht- Gasphasenabscheidung oder Mikrowellen-CVD erzeugt wird und anschließend die Abdeckschicht mittels Magnetronsputtern erzeugt wird.
Die Vorbehandlung und Gasphasenabscheidung, insbesondere Heißdraht-Gasphasenabscheidung, sind derart zu gestalten, dass eine möglichst gleichmäßige und absorptionsfreie
Diamantschicht aufgewachsen wird und eine stabile Grenzfläche zwischen der Diamantschicht und den angrenzenden Schichten beziehungsweise dem Substrat entstehen. Die
Absorptionsfreiheit der Diamantschicht kann durch die
Verwendung niedriger Konzentrationen des Kohlenwasserstoffs, insbesondere bei Konzentrationen von größer oder gleich 1 % Methan verdünnt in bis zu 99% Wasserstoff, und/oder
Aktivierung der Gasphase durch hohe Drahttemperaturen beim HFCVD-Verfahren und/oder hohen Leistungsdichten,
beispielweise bei mikrowellenaktivierter CVD, erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Diamantschicht eine Siliziumnitridschicht direkt nachgeordnet. Die
Siliziumnitridschicht weist insbesondere eine Schichtdicke von wenigen Nanometern oder einige 10 nm bis wenige 100 nm, beispielweise zwischen 20 nm und 300 nm auf. Dadurch kann die Diamantoberfläche vor Ionenbeschuss durch die nachfolgenden Beschichtungen, beispielsweise mittels Magnetronsputtern, geschützt werden und die Haftfestigkeit der Diamantschicht auf angrenzende oxidische Schichten verbessert werden. Die Siliziumnitridschicht kann insbesondere mit Heißdraht- Gasphasenabscheidung und/oder Magnetronsputtern erzeugt werden . Alternativ kann die Diamantschicht einer
Siliziumnitridschicht direkt nachgeordnet sein, um die
Haftung der Diamantschicht zu verbessern und/oder zu
verhindern, dass es zu einer Reduktion oxidischer Schichten durch atomaren Wasserstoff kommt.
Unter Magnetronsputtern ist insbesondere das gepulste
reaktive Magnetronsputtern gemeint. Insbesondere beinhaltet das Magnetronsputtern das High Power Impulse Magnetron
Sputtering (HiPIMS) . Insbesondere werden oxidhaltige und/oder nitridhaltige Schichten mittels Magnetronsputtern erzeugt.
Ferner kommt hier die Gasphasenabscheidung, insbesondere Heißdraht-Gasphasenabscheidung, zur Aufbringung der zumindest einen Diamantschicht zur Anwendung. Durch die Verwendung von Heißdraht-Gasphasenabscheidung können Diamantschichten mit einer uniformen Schichtdicke erzeugt werden. Insbesondere können Diamantschichten auf Flächen von 500 x 1000 mm^ erzeugt werden. Insbesondere sind die Diamantschichten dünn und defektfrei. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass man hochpotente Bekeimungsprozeduren durchführt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgen die
Gasphasenabscheidung, insbesondere Heißdraht- Gasphasenabscheidung und das Magnetronsputtern in einer
Apparatur. Dadurch kann ermöglicht werden, dass sowohl das Auftragen von oxidischen und/oder nitridischen Schichten mittels Magnetronsputtern als auch die Abscheidung von zumindest einer Diamantschicht in einer Apparatur erfolgen. Dies spart Kosten, Material, Zeit und Platz. Außerdem kann ein Vakuumbruch zwischen den Einzelbeschichtungen vermieden werden, wodurch die Haftung zwischen den Einzelschichten potenziell verbessert werden kann. Außerdem kann eine
Beschichtungsanlage, die beide Abscheideverfahren miteinander kombiniert, die Möglichkeit zur wirtschaftlichen Herstellung von Schichtsystemen mit mehr als einer Diamantschicht bieten. Durch die Kombination der Heißdraht-Gasphasenabscheidung für Diamantschichten und das Magnetronsputtern für oxidische und/oder nitridische Schichten wird sichergestellt, dass ein beschichteter Gegenstand bereitgestellt wird, der eine stabile, kratzfeste und harte optische Beschichtung aufweist. Alternativ kann statt des Magnetronsputterns auch
Elektronenstrahlverdampfung stattfinden und statt Heißdraht- Gasphasenabscheidung können auch andere Verfahren zur
Diamantabscheidung eingesetzt werden, beispielsweise
mikrowellenangeregte GasphasenabScheidung .
Es wird insbesondere ein beschichteter Gegenstand mit einer optischen Beschichtung bereitgestellt, die insbesondere eine dielektrische Schichtfolge mit mindestens einer
Diamantschicht aufweist. Die Diamantschicht kann die Position einer hochbrechenden Schicht einnehmen. Die Diamantschicht kann auf einer gesputterten Oxidschicht und auf der
Diamantschicht wiederum eine Oxidschicht aufgebracht werden.
Im Vergleich zu bisher bekannten Beschichtungen,
beispielsweise aus Siliziumdioxid und Titandioxid, weisen erfindungsgemäße optische Beschichtungen für einen Gegenstand eine hohe Härte, Kratzfestigkeit, hohe Stabilität auch gegen Umwelteinflüssen und zudem eine sehr geringe Restreflexion auf .
Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den
Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen: eine schematische Darstellung eines beschichteten Gegenstands gemäß einer Ausführungsform, eine schematische Darstellung eines beschichteten Gegenstands gemäß einer Ausführungsform, den Reflexionsgrad in Prozent in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ in nm eines Vergleichsbeispiels und von zwei Ausführungsbeispielen, und eine schematische Darstellung eines beschichteten Gegenstands gemäß einer Ausführungsform.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, zur besseren
Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden. Insbesondere sind die Schichten oder die dargestellten Schichtdicken nicht maßstabsgerecht.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines beschichteten Gegenstands 100. Der beschichtete Gegenstand 100 weist ein Substrat 1 auf. Das Substrat 1 kann
beispielsweise aus Glas oder Saphir sein. Auf dem Substrat nachgeordnet ist eine erste Schicht 6 mit einem
Brechungsindex n]_ . Die erste Schicht 6 kann beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumdioxid umfassen oder daraus bestehen. Der ersten Schicht 6 ist eine zweite Schicht 7 mit einem Brechungsindex ri2 nachgeordnet. Die zweite Schicht 7 kann beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen oder
Aluminiumoxid umfassen. Der zweiten Schicht 7 ist eine weitere erste Schicht 6 nachgeordnet, die wiederum
insbesondere Siliziumoxid oder Siliziumdioxid aufweisen kann. Dieser weiteren ersten Schicht 6 ist wiederum eine weitere zweite Schicht 7 nachgeordnet, die beispielsweise
Aluminiumoxid aufweisen kann. Der beschichtete Gegenstand 100 weist somit als optische Beschichtung 2 eine
reflexionsvermindernde Schichtenfolge 3 auf, die zwei
Schichtenpaare aufweist, die dem Substrat 1 nachgeordnet sind und jeweils eine erste Schicht 6 und eine zweite Schicht 7 aufweisen. Diesen beiden Schichtenpaaren ist eine
Diamantschicht 5 direkt, also in direktem mechanischem
Kontakt, nachgeordnet. Insbesondere weist die Diamantschicht 5 eine Schichtdicke von 50 nm bis 150 nm, beispielsweise 130 nm, auf. Der Diamantschicht 5 ist direkt eine weitere erste Schicht 6 nachgeordnet, die beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumdioxid aufweist. Dieser weiteren ersten Schicht 6 ist die Abdeckschicht 4 als oberste Schicht nachgeordnet. Die Abdeckschicht 4 kann beispielsweise kristallines
Aluminiumoxid aufweisen oder eine Mischung aus Aluminiumoxid und Siliziumdioxid zur Reduzierung des Brechungsindexes aufweisen. Der beschichtete Gegenstand 100 gemäß Figur 1 weist somit eine Schichtenfolge 3 bestehend aus sieben
Schichten auf. Die Schichtenfolge 3 kann insbesondere eine Schichtdicke von insgesamt 540 nm aufweisen. Damit kann ein beschichteter Gegenstand 100 bereitgestellt werden, der eine kratzfeste und harte Antireflexbeschichtung 2 für zumindest den sichtbaren Spektralbereich aufweist. Figur 2 zeigt einen beschichteten Gegenstand 100 gemäß einer Ausführungsform. Der beschichtete Gegenstand 100 weist ein Substrat 1 auf. Dem Substrat 1 ist eine Schichtenfolge 3 einer optischen Beschichtung 2 nachgeordnet. Die
Schichtenfolge 3 umfasst zwei zweite Schichten 7 mit einem Brechungsindex von jeweils ri2 · Eine der beiden zweiten
Schichten 7 ist auf dem Substrat 1 direkt angeordnet. Der zweiten Schicht 7 ist eine erste Schicht 6 mit einem
Brechungsindex n]_ nachgeordnet. Der ersten Schicht 6 ist eine weitere zweite Schicht 7 nachgeordnet. Der weiteren zweiten Schicht 7 ist eine Diamantschicht 5 nachgeordnet. Der
Diamantschicht 5 ist eine Abdeckschicht 4 nachgeordnet. Die Abdeckschicht 4 ist die äußerste Schicht der optischen
Beschichtung 2. Damit ist die Diamantschicht 5 die vorletzte Schicht 5 der optischen Beschichtung 2, die direkt nach der Abdeckschicht 4 folgt. Der beschichtete Gegenstand 100 gemäß Figur 2 weist somit eine Schichtenfolge 3 bestehend aus fünf Schichten auf. Die Gesamtdicke der optischen Beschichtung 2 kann zirka 540 nm sein. Die Abdeckschicht 4 weist
insbesondere kristallines Aluminiumoxid und Siliziumdioxid auf. Siliziumdioxid wird insbesondere dazugemischt, um den Brechungsindex von Aluminiumoxid (1,7) zu reduzieren.
Figur 3 zeigt eine grafische Darstellung der Reflexion oder des Reflexionsgrades R in Prozent (%) in Abhängigkeit von der Wellenlänge in Nanometer (nm) .
Der Graph A zeigt den Reflexionsgrad in Prozent des
Ausführungsbeispiels der Figur 1. Insbesondere weist der beschichtete Gegenstand 100 gemäß der Figur 1 einen
Reflexionsgrad R von < 1 %, insbesondere kleiner als 0,8 % im sichtbaren Bereich, also zwischen 420 nm und 680 nm, auf. Der Graph B zeigt den Reflexionsgrad oder die Reflexion in Prozent des Ausführungsbeispiels der Figur 2. Der
beschichtete Gegenstand 100 gemäß der Figur 2 zeigt einen Reflexionsgrad R zwischen 1,8 % und 3 % im sichtbaren
Spektralbereich zwischen 420 und 520 nm. Zwischen 520 nm und 580 nm ist R zwischen 0,8 % und 1,8 %. Im Wellenlängenbereich von 580 bis 640 nm weist das Ausführungsbeispiel der Figur 2 einen Reflexionsgrad R von kleiner als 1 % auf. Zwischen 640 und 680 nm ist der Reflexionsgrad kleiner als 2 %.
Die Figur C zeigt den Reflexionsgrad in Prozent von Saphir in einem Wellenlängenbereich von 360 nm bis 800 nm. Saphir zeigt einen Reflexionsgrad um die 8 %. Alle Reflexionswerte
beziehen sich auf eine Seite, das heißt, ohne Einbeziehung der Rückseitenreflexion. Reflexion oder Reflexionsgrad bezeichnet hier und im Folgenden das Verhältnis zwischen reflektierter und einfallender Intensität.
Die Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines
beschichteten Gegenstands 100 gemäß einer Ausführungsform.
Der beschichtete Gegenstand 100 zeigt ein Substrat 1. Auf dem Substrat 1 ist eine optische Beschichtung 2 mit einer
reflexionsvermindernden Schichtenfolge 3 angeordnet. Die Schichtenfolge 3 weist zwei Diamantschichten 5, 8 auf. Die erste Diamantschicht 5 ist direkt unterhalb der Abdeckschicht 4 angeordnet. Die beiden Diamantschichten 5, 8 sind jeweils durch eine erste Schicht mit einem Brechungsindex n]_ und/oder einer zweiten Schicht mit einem Brechungsindex ri2 6, 7 voneinander getrennt. Dabei gilt insbesondere: np]_ > n]_ + 0,8 und n^2 > n]_ + 0,8 und/oder n^]_ > r\2 + 0,4 und n^2 > n2 + 0,4 und/oder np]_ = np2 · Insbesondere ist die erste Schicht 6 aus Siliziumdioxid geformt. Insbesondere ist die zweite Schicht 7 aus
Aluminiumoxid geformt. Die Abdeckschicht 4 ist insbesondere aus kristallinem Aluminiumoxid geformt. Alternativ können auch mehr als zwei Diamantschichten 5, 8 in einem
beschichteten Gegenstand 100 eingebracht werden.
Beispielsweise können drei, vier, fünf oder sechs
Diamantschichten in einem beschichteten Gegenstand
eingebracht werden. Dabei ist insbesondere die Herstellung der Diamantschicht mittels Heißdraht-Gasphasenabscheidung besonders aufwändig. Daher ist jedoch zu bevorzugen, so wenig wie möglich Diamantschichten in einen beschichteten
Gegenstand 100 einzubringen. Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Beschichteter Gegenstand (100), umfassend
- ein Substrat (1),
- eine auf dem Substrat (1) angeordnete optische Beschichtung (2), wobei die optische Beschichtung (2) eine
reflexionsvermindernde Schichtenfolge (3) aufweist, die eine Abdeckschicht (4) mit einem Brechungsindex n^ und mindestens eine Diamantschicht (5) mit einem Brechungsindex np]_ > n^ umfasst, wobei die Diamantschicht (5) zwischen der
Abdeckschicht (4) und dem Substrat (1) angeordnet ist und Diamantkristalle aufweist oder daraus besteht, wobei die Diamantschicht (4) eine Schichtdicke von kleiner 500 nm aufweist .
2. Beschichteter Gegenstand (100) nach Anspruch 1,
wobei die reflexionsvermindernde Schichtenfolge (3) einen Reflexionsgrad von kleiner 1 % in einem Wellenlängenbereich von 420 nm bis 680 nm aufweist,
wobei die Diamantschicht (5) zwischen der Abdeckschicht (4) und einer zweiten Schicht (7) mit einem Brechungsindex ri2 < riß_ angeordnet ist, wobei die Abdeckschicht (4) und die
Diamantschicht (5) direkt mechanisch in Kontakt stehen und/oder wobei zwischen der Diamantschicht (5) und der
Abdeckschicht (4) eine erste Schicht (6) mit einem
Brechungsindex n]_ angeordnet ist, wobei gilt: np]_ > ri2 > n]_ .
3. Beschichteter Gegenstand (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Schichtenfolge (3) zusätzlich ein oder mehrere
Schichtenpaare aufweist, die dem Substrat direkt nachgeordnet sind und jeweils eine erste Schicht (6) mit einem Brechungsindex und eine zweite Schicht (7) mit einem
Brechungsindex ri2 > n]_ aufweisen,
wobei die Diamantschicht (5) zwischen der ersten und zweiten Schicht (6,7) eines Schichtenpaares angeordnet ist oder wobei dem einen oder mehreren Schichtenpaaren die
Diamantschicht (5) direkt nachgeordnet ist, wobei über der Diamantschicht (5) die Abdeckschicht (4) angeordnet ist, wobei gilt: np]_ > ri2 > n^ und n]_ < n^ < ri2 und np]_ > ri2 + x*0,6 mit 0,1 x 1 oder
wobei gilt: np]_ < ri2 > n^ und n]_ < n^ < n2.
4. Beschichteter Gegenstand (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Schichtenfolge (3) mindestens fünf Schichten und/oder höchstens zwölf Schichten aufweist, und wobei die Diamantschicht (5) eine homogene Schichtdicke mit einer
Schichtdicke kleiner oder gleich 300 nm aufweist.
5. Beschichteter Gegenstand (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Abdeckschicht (4) aus kristallinem Aluminiumoxid geformt ist und eine Schichthärte, gemessen mit einem
Nanoindentor, von größer 20 GPa hat und/oder die
Diamantschicht (5) eine Schichthärte von größer 60 GPa aufweist.
6. Beschichteter Gegenstand (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Abdeckschicht (4) ein Material aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminiumoxid,
Siliziumdioxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, kristallines Aluminiumoxid und eine Mischung aus AI2O3 und S1O2, S13N4 oder A1N umfasst.
7. Beschichteter Gegenstand (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Schichtenfolge (3) zur Transmission von Strahlung mit einer dominanten Wellenlänge λ geeignet ist, wobei für die Dicke der Diamantschicht (5) 0,3 λ/4 < nD1*dDi ^ 0,8 λ/4 und für die Dicke der Abdeckschicht (4) 0,7 λ/4 < nA*d^ < 1,3 λ/4 und für die Dicke der ersten Schicht (6) 0,7 λ/4 < n]_*d]_ ^ 1,3 λ/4 und für die Dicke der zweiten Schicht (7) 0,7 λ/4 < n2*d2 ^ 1,3 λ/4 gilt.
8. Beschichteter Gegenstand (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Schichtenfolge (3) mindestens eine zusätzliche Diamantschicht (8) mit einem Brechungsindex np2 umfasst, die zwischen Abdeckschicht (4) und Substrat (2) angeordnet ist, wobei die zumindest zwei Diamantschichten (5, 8) der
Schichtenfolge durch jeweils einer ersten Schicht (6) mit einem Brechungsindex n]_ und/oder einer zweiten Schicht (7) mit einem Brechungsindex n2 voneinander getrennt sind, wobei die Abdeckschicht (4) einer der Diamantschichten (5, 8) direkt nachgeordnet ist, wobei gilt: np]_ > n]_ + 0,8 und np2 > n]_ + 0,8 und/oder
Figure imgf000029_0001
> n2 + 0,4 und/oder nDl = nD2-
9. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Gegenstands (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweisend die
Verfahrensschritte :
A) Bereitstellen eines Substrats (1), und
B) Aufbringen einer reflexionsvermindernden Schichtenfolge (2) , wobei die zumindest eine Diamantschicht (5) mittels
Gasphasenabscheidung erzeugt wird und anschließend die Abdeckschicht (4) mittels Magnetronsputtern erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei die Gasphasenabscheidung und das Magnetronsputtern in einer Apparatur durchgeführt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei die Gasphasenabscheidung Plasma-CVD ist.
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