DE69533229T2

DE69533229T2 - Antireflektierender belag für temperaturempfindlichen träger

Info

Publication number: DE69533229T2
Application number: DE69533229T
Authority: DE
Inventors: J. Erik BJORNARD; A. William MEREDITH
Original assignee: Viratec Thin Films Inc
Current assignee: Viratec Thin Films Inc
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: DE69533229D1; EP0795106B1; US5579162A; EP0795106A4; WO1996013688A1; USRE39215E1; JPH10509832A; CA2204011C; CA2204011A1; CN1102743C; HK1007899A1; CN1171839A; EP0795106A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein mehrschichtige Antireflexbeschichtungen für Substrate, und spezieller betrifft sie mehrschichtige Antireflexbeschichtungen, die durch reaktives Gleichspannungssputtern auf temperaturempfindlichen Substraten abgeschieden werden. Beschichtete Gegenstände dieses Typs sind z. B. aus US-A-5 147 125 oder US-A-5 105 310 bekannt.
Die einfachste Antireflexbeschichtung ist eine Einzelschicht aus transparentem Material mit einem Brechungsindex unter dem eines Substrats, auf dem sie abgeschieden wird. Die optische Dicke einer derartigen Schicht kann bei einer Wellenlänge von ungefähr 520 Nanometer (nm), d. h. von ungefähr der Mitte des sichtbaren Spektrums, ungefähr eine Viertel Wellenlänge betragen. Das sichtbare Spektrum erstreckt sich von einer Wellenlänge von ungefähr 420 nm bis zu einer Wellenlänge von ungefähr 680 nm. Eine Einzelschichtbeschichtung erzeugt bei einer Wellenlänge, bei der die optische Dicke der Schicht einem Viertel der Wellenlänge entspricht, den minimalen Reflexionswert. Bei allen anderen Wellenlängen ist die Reflexion höher als das Minimum, jedoch kleiner als die Reflexion eines unbeschichteten Substrats. Eine unbeschichtete Glasfläche mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,52 reflektiert ungefähr 4,3 Prozent des normal einfallenden Lichts.
Mehrschichtige Antireflexbeschichtungen werden dadurch hergestellt, dass zwei oder mehr Schichten transparenter dielektrischer Materialien auf einem Substrat abgeschieden werden. Mindestens eine Schicht weist einen Brechungsindex über demjenigen des Substrats auf. Die Schichtsysteme beinhalten zumindestens drei Schichten, und sie sind so konzipiert, dass sie die Reflexion bei allen Wellenlängen im sichtbaren Spektrum verringern. Mehrschichtige Antireflexbeschichtungen können über das sichtbare Spektrum hinweg Reflexionswerte von weniger als 0,25 Prozent ergeben.
Die meisten mehrschichtigen Antireflexbeschichtungen beruhen auf einem grundlegenden Dreischichtsystem. Die erste oder äußerste Schicht dieses Systems verfügt über einen Brechungsindex unter dem des Substrats sowie eine optische Dicke von ungefähr einem Viertel der Wellenlänge bei einer Wellenlänge von ungefähr 520 nm. Die zweite oder mittlere Schicht verfügt über einen Brechungsindex über dem des Substrats und eine optische Dicke von ungefähr einer halben Wellenlänge bei einer Wellenlänge von ungefähr 520 nm. Die dritte Schicht, d. h. die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht, verfügt über einen Brechungsindex über dem des Substrats, jedoch unter dem der zweiten Schicht. Die optische Dicke der dritten Schicht beträgt ebenfalls ungefähr ein Viertel der Wellenlänge bei einer Wellenlänge von ungefähr 520 nm. Dieses grundlegende Design wurde als Erstes in der Veröffentlichung von Lockhart und King "Three Layered Reflection Reducing Coatings", J. Opt. Soc. Am., Vol. 37, S. 689–694 (1947) beschrieben.
Ein Nachteil des grundlegenden Dreischichtsystems besteht darin, dass die Brechungsindizes der Schichten spezielle Werte aufweisen müssen, um für optimales Funktionsvermögen zu sorgen. Die Auswahl und die Kontrolle des Brechungsindex der dritten Schicht ist besonders wichtig. Eine Abweichung von speziellen Brechungsindexwerten kann nicht durch Variieren der Schichtdicken kompensiert werden.
Es wurden verschiedene Modifizierungen am System gemäß Lockhart und King vorgenommen, um diese Nachteile zu überwinden. Z. B. wurde das Schichtsystem dadurch modifiziert, dass mindestens eine Schicht aus Gemischen zweier Materialien mit Brechungsindizes über und unter dem gewünschten Wert für die Schicht hergestellt wurden. Der Brechungsindex einer oder mehrerer Schichten wurde auch unter Verwendung von Gruppen dünner Schichten mit ungefähr derselben optischen Gesamtdicke wie der der gewünschten Schicht, jedoch einschließlich Schichten mit Brechungsindexwerten über und unter dem gewünschten Wert simuliert.
Andere Modifizierungen beinhalteten ein Variieren des Brechungsindex einer oder mehrerer der Schichten als Funktion der Dicke, d. h. dass der Brechungsindex einer Dicke in der Dickenrichtung inhomogen war. Diese Vorgehensweise ist im US-Patent Nr. 3,960,441 beschrieben. Eine andere Modifizierung besteht in der Verwendung einer zusätzlichen Schicht zwischen dem grundlegenden Dreischichtsystem und dem Substrat. Diese zusätzliche Schicht kann über eine optische Dicke von ungefähr einer halben Wellenlänge verfügen, d. h. ungefähr der Hälfte der Dicke des Grundsystems, und mit einem Brechungsindex unter dem des Substrats. Diese Modifizierung ist im US-Patent Nr. 3,781,090 offenbart.
Die oben erörterten Schichtsysteme werden im Allgemeinen durch thermische Verdampfung abgeschieden. Bei thermischer Verdampfung ist es möglich, dass die zum Abscheiden der Schichten benötigte Zeit nur einen relativ kleinen Bruchteil der Gesamtherstellzeit bildet. Die Herstellzeit kann durch Faktoren wie die Abpumpzeit für die Beschichtungskammer, die zum Erwärmen von Substraten auf Prozesstemperaturen erforderliche Zeit und die zum Abkühlen von Substraten nach der Beschichtung erforderliche Zeit bestimmt sein. Die Anzahl der Schichten in der Beschichtung, die Dicke der Schichten und die Schichtmaterialien haben keinen wesentlichen Einfluss auf die Herstellzeit und so die Kosten.
Reaktives Gleichspannungssputtern ist ein Prozess, der am häufigsten für großflächige kommerzielle Beschichtungsanwendungen verwendet wird. Z. B. werden Metalloxidschichten durch Sputtern des geeigneten Materials in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre abgeschieden. Beim Prozess des reaktiven Sputterns werden die zu beschichtenden Gegenstände durch eine Reihe aufeinanderfolgend angeordneter Vakuumkammern geschickt, von denen jede Sputterquellen, d. h. Sputterkathoden enthält. Die Kammern sind durch Vakuumschleusen gegeneinander isoliert. Ein derartiges System kann als Inlinesystem oder einfach als Glasbeschichter bezeichnet werden.
Die Zeit, die dazu erforderlich ist, die Schichten abzuscheiden, ist hauptsächlich durch die Anzahl der Schichten und die Sputterrate der Materialien bestimmt. Die Verwendung eines Glasbeschichters zum Abscheiden mehrschichtiger Antireflexbeschichtungen kann deren Kosten deutlich senken, wodurch ihr Anwendungsbereich erweitert wird. Derartige Beschichtungen können auf einem Bildrahmenglas, für ein Displaygehäuse und Temperaturkontrollbeschichtungen für Bau- und Kfz.-Verglasungen verwendet werden.
Viele der bei thermischen Verdampfungsprozessen verwendeten Materialien, insbesondere Fluoride und Sulfide, sind nicht einfach sputterbar. Umgekehrt werden einige wenige Materialien, wie Zinkoxid (ZnO), die in Sputtersystemen für Bauglas allgemein verwendet werden, bei thermischen Verdampfungsprozessen selten, falls überhaupt, verwendet. Die Sputterrate verschiedener Materialien kann mit einem Faktor von über 20 variieren. Daher kann die Wahl der Materialien deutlichen Einfluss auf die Abscheidungszeit und die Herstellkosten haben. Bei einem Inline-Sputtersystem mit mehreren Kammern kann jede Kammer so eingestellt werden, dass sie ein spezielles Material abscheidet. Infolgedessen ist die Anzahl der abscheidbaren Schichten durch die Anzahl der Kammern bestimmt. Eine für Sputterabscheidung konzipierte Beschichtung sollte daher so einfach wie möglich sein. Sie sollte auch, falls möglich, aus Materialien mit hoher Sputterrate hergestellt werden.
Eine einfache Verbesserung am System gemäß Lockhart und King, das für Inlinesputtern geeignet sein kann, ist im US-Patent Nr. 3,432, 225 beschrieben. Dieses System, das als Rock-System bezeichnet wird, beinhaltet vier Schichten. Die erste oder äußerste Schicht verfügt über einen Brechungsindex unter dem des Substrats und eine optische Dicke von ungefähr einem Viertel der Wellenlänge bei einer Wellenlänge von ungefähr 520 nm. Die zweite oder mittlere Schicht verfügt über einen Brechungsindex über dem des Substrats und eine optische Dicke von ungefähr der Hälfte bis sechs Zehnteln der Wellenlänge bei einer Wellenlänge von ungefähr 520 nm. Die dritte Schicht verfügt über eine optische Dicke von ungefähr einem Zehntel der Wellenlänge bei einer Wellenlänge von 520 nm und einen Brechungsindex unter dem der zweiten Schicht. Die vierte Schicht verfügt über eine optische Dicke von ungefähr einem Zehntel der Wellenlänge und einen Brechungsindex über dem der zweiten Schicht und des Substrats. Die dritte Schicht kann aus demselben Material wie die erste Schicht bestehen, und die vierte Schicht kann aus demselben Material wie die zweite Schicht bestehen.
Das Rock-System kann mit verschiedenen Kombinationen von Materialien verwendet werden. Unterschiede der Brechungsindizes können durch verschiedene Schichtdicken kompensiert werden. Genauer gesagt, können, für eine ausgewählte Gruppe von Materialien, die Schichtdicken im Rock-System so eingestellt werden, dass für optimales Funktionsvermögen gesorgt ist. Es sind keine speziellen Brechungsindexwerte für die Schichten erforderlich. Wenn ein Material mit höherem Brechungsindex für die äußere Schicht verwendet würde, müsste auch der Brechungsindex der zweiten Schicht höher sein, um für die niedrigste Reflexion zu sorgen. Um jedoch die niedrigsten Reflexionswerte zu erzielen, sollte der Brechungsindex der ersten und der dritten Schicht kleiner als ungefähr 1,5 sein, und der Brechungsindex der zweiten und der vierten Schicht sollte größer als ungefähr 2,2 sein. Ein zum Sputtern geeignetes Rock-System kann Siliciumdioxid (SiO₂) mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,46 bei 520 nm für die erste und die dritte Schicht sowie Titandioxid (TiO₂) mit einem Brechungsindex von ungefähr 2,35 bei 520 nm für die zweite und die vierte Schicht verwenden.
Magnesiumfluorid (MgFl) kann dazu verwendet werden, die äußere und die dritte Schicht herzustellen. Magnesiumfluorid kann durch Sputtern abge schieden werden, jedoch benötigt es eine reaktive Atmosphäre, die Fluor oder Fluorwasserstoff enthält.
Das Rock-System ist einfach, da es über nur vier Schichten verfügt. Da es jedoch ein Material mit relativ hohem Brechungsindex benötigt, wie Titandioxid, ist es schwierig, eine hohe Sputterrate zu erzielen. Typischerweise beträgt die Abscheidungsrate für Titandioxid, das durch reaktives Sputtern von Titan gebildet wird, nur ein Viertel derjenigen von Siliciumdioxid, das durch reaktives Sputtern aus Silicium erzeugt wird. Für ein Rock-System unter Verwendung von Titandioxid und Siliciumdioxid würde die Abscheidung von Titanoxid ungefähr viermal länger als die Abscheidung von Siliciumdioxid dauern.
Das Rock-System kann ungefähr gleiche Dicken von Titandioxid und Siliciumdioxid erfordern. Siliciumdioxid kann viermal schneller als Titandioxid gesputtert werden. Um bei optimaler Geschwindigkeit zu arbeiten, benötigt ein Glasbeschichter viermal so viele Sputterkathoden für Titandioxid wie für Siliciumdioxid. Jedoch verfügt der Beschichter möglicherweise nicht über ausreichend Kammern um alle diese Titandioxidkathoden unterzubringen. So muss die Abscheidungsrate für Siliciumdioxid gesenkt werden, um mit der Abscheidungsrate von Titandioxid "Schritt zu halten". Dies verringert den Durchsatz und erhöht die Herstellkosten.
Es wird in weitem Umfang davon ausgegangen, dass Materialien, die durch reaktives Gleichspannungssputtern mit hohen Raten abgeschieden werden können, relativ niedrige Brechungsindizes aufweisen. Vergleiche von Abscheidungsraten können von Quelle zu Quelle wenig konstant sein. Der Typ der Maschine und der Kathode, die Verwendung finden, kann die Ergebnisse ebenfalls beeinflussen. Die folgenden näherungsweisen Ratenvergleiche dienen zum Veranschaulichen der Verallgemeinerung. Die genannten Brechungsindexwerte sind die angenäherten Werte bei einer Wellenlänge von ungefähr 520 nm. Titandioxid weist einen Brechungsindex von ungefähr 2,35 auf, und Tantaloxid (Ta₂O₅) weist einen Brechungsindex von ungefähr 2,25 auf. Tantaloxid kann ungefähr mit der doppelten Rate im Vergleich zu Titandioxid abgeschieden werden. Zirconiumoxid (ZrO₂) weist einen Brechungsindex von ungefähr 2,15 auf, und es kann mit ungefähr dem Doppelten der Rate von Titandioxid abgeschieden werden. Zinnoxid weist einen Brechungsindex von ungefähr 2,0 auf, und es kann mit ungefähr der zehnfachen Rate von Titandioxid abgeschieden werden. Außerdem weist Zinkoxid einen Brechungsindex von ungefähr 1,90 auf, und es kann ungefähr mit dem Fünfzehnfachen der Rate von Titandioxid abgeschieden werden.
Eine Schicht aus einem Material wie Zinkoxid oder Zinnoxid kann in einer Antireflexbeschichtung enthalten sein, um dafür zu sorgen, dass diese elektrisch leitend ist. Zinkoxid kann dadurch leitend gemacht werden, dass es mit Aluminium dotiert wird, und Zinnoxid kann durch Dotieren mit Antimon leitend gemacht werden. Der Brechungsindex der dotierten Materialien bleibt ungefähr 2,0. Zu anderen transparenten, leitenden Materialien mit einem Brechungsindex von ungefähr 2,0 gehören Cadmium Zinnoxid (Cadmium Stannat) und Indium Zinnoxid (ITO).
Ein Problem bei der Verwendung von Materialien mit hohem Index bei einer Antireflexbeschichtung vom Rock-Typ besteht darin, dass derartige Materialien relativ langsam abzuscheiden sind und sie an das Substrat, das beschichtet wird, eine große Wärmemenge übertragen. Obwohl durch reaktives Gleichspannungssputtern gesputterte Materialien wie Titandioxid, Niob Pentoxid, oder Tantal Pentoxid oder ähnliche Materialien einen Brechungsindex über 2,2 aufweisen, übertragen diese Materialien soviel Wärme auf das Substrat, dass nur Substrate mit hohem Schmelzpunkt, wie Glas, geeignet sind. An das Substrat wird eine große Wärmemenge übertragen, da der Abscheidungsprozess langsamer ist und daher mehr Zeit zur Wärmeübertragung existiert, und da die Materialien härter sind und nur bei höheren Temperaturen gesputtert werden können. Im Ergebnis ist es schwierig, Antireflexbeschichtungen auf temperaturempfindlichen Substraten wie Kunststoff abzuscheiden. Ein Substrat kann dann als temperaturempfindlich bezeichnet werden, wenn es ein solches mit hohem Schmelzpunkt oder einem Zündpunkt unter dem Erweichungspunkt von Glas ist. Ein Glas, wie es allgemein bei Antireflexbeschichtungen verwendet wird, ist Natronkalk-Floatglas, das einen Erweichungspunkt von ungefähr 620°C aufweist.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Antireflexbeschichtung für ein temperaturempfindliches Substrat, wie Kunststoff, zu schaffen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antireflexbeschichtung für wirtschaftliche Herstellung mit hohem Volumen in einer reaktiven Inline-Sputtervorrichtung zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antireflexbeschichtung unter Verwendung schnell sputterbarer Materialien zu schaffen, um die an das Substrat übertragene Wärmemenge zu verringern.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antireflexbeschichtung zu schaffen, in der mindestens eine der Schichten aus Zinnoxid, Indiumoxid, Zinkoxid, mit Zinn dotiertem Indiumoxid, Bismutzinnoxid, Zinkzinnoxid oder mit Antimon dotiertem Zinnoxid besteht.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt, und sie sind teilweise aus der Beschreibung ersichtlich oder ergeben sich beim Ausüben der Erfindung. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können durch die Vorgehensweisen und Kombinationen, wie sie speziell in den Ansprüchen dargelegt sind, realisiert und erzielt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen dargelegt ist, ist auf eine Antireflexbeschichtung für ein temperaturempfindliches Substrat gerichtet. Die Antireflexbeschichtung enthält zwei oder mehr Schichten, die für sichtbares Licht im Wesentlichen transparent sind. Eine der Schichten ist ein durch reaktives Gleichspannungssputtern hergestelltes Metalloxid, das schnell abgeschieden werden kann, ohne dass eine große Wärmemenge an das Substrat übertragen würde. Zu geeigneten Metalloxiden gehören Zinnoxid, Indiumoxid, Zinkoxid, mit Zinn dotiertes Indiumoxid, mit Antimon dotiertes Zinnoxid, Bismutzinnoxid und Zinkzinnoxid. Eine andere Schicht verfügt über einen Brechungsindex unter dem des Substrats.
Die Antireflexbeschichtung kann über vier Schichten verfügen, die in fortlaufender Zahlenfolge beginnend mit der am weitesten vom Substrat entfernten Schicht als erste, zweite, dritte und vierte Schicht bezeichnet werden. Die erste Schicht weist einen Brechungsindex unter dem des Substrats auf, und sie verfügt über eine optische Dicke von ungefähr einem Viertel von λ₀. Die zweite Schicht verfügt über einen Brechungsindex über dem des Substrats, und sie hat eine optische Dicke zwischen ungefähr einem Viertel und einem Drittel von λ₀. Die dritte Schicht verfügt über einen Brechungsindex unter dem der zweiten Schicht, und die vierte Schicht verfügt über einen Brechungsindex über dem der dritten Schicht. In Kombination weisen die dritte und die vierte Schicht eine optische Gesamtdicke von unter einem viertel von λ₀ auf. λ₀, die Designwellenlänge liegt zwischen ungefähr 480 nm und 560 nm. von der zweiten und der vierten Schicht besteht mindestens eine, bevorzugt beide, aus einem Metalloxid wie Zinnoxid, Indiumoxid, Zink oxid, mit Zinn dotiertem Indiumoxid, mit Antimon dotiertem Zinnoxid, Bismutzinnoxid und Zinkzinnoxid.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen, die in die Unterlagen eingeschlossen sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, und sie dienen, gemeinsam mit der oben gelieferten allgemeinen Beschreibung sowie der unten folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
Die 1 veranschaulicht schematisch eine vierschichtige Antireflexbeschichtung auf einem temperaturempfindlichen Substrat.
Die 2 ist eine grafische Darstellung zum Veranschaulichen berechneter Reflexionswerte als Funktion der Wellenlänge für ein Substrat ohne Antireflexbeschichtung, ein Substrat mit vierschichtiger Antireflexbeschichtung unter Verwendung von Titanoxid sowie ein Substrat mit vierschichtiger Antireflexbeschichtung gemäß der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist auf mehrschichtige Antireflexbeschichtungen mit mindestens einer durch reaktives Gleichspannungssputtern hergestellten Metalloxidschicht gerichtet. Die Metalloxidschicht muss schnell abscheidbar sein, damit nur eine kleine Wärmemenge auf das Substrat darunter übertragen wird. Weiche Metalle verfügen im Allgemeinen über hohe Metalloxid-Abscheidungsraten. Eine hohe Abscheidungsrate soll bedeuten, dass die Schicht mindestens fünfmal schneller als Titandioxid, und möglicherweise bis zu 20 oder 50 mal schneller, abgeschieden werden kann. Außerdem müssen die Metalloxidschichten für sichtbares Licht im Wesentlichen transparent sein. Zu geeigneten Metallen gehören Zinn, Indium, Zink, mit Zinn dotiertes Indium, mit Antimon dotiertes Zinn, Bismutzinn und Zinkzinn. Noch eine andere Bedingung für die Metalloxidschicht besteht darin, dass sie über einen vernünftig hohen Brechungsindex verfügen muss. Obwohl ein Brechungsindex über 2,2, wie bei Titandioxid, nicht verfügbar ist, da derartige Materialien zu langsam abscheidbar sind, verfügt eine geeignete Metalloxidschicht über einen Brechungsindex zwischen 1,95 und 2,2.
Eine erfindungsgemäße Antireflexbeschichtung kann über zwei oder mehr Schichten verfügen, die für sichtbares Licht im Wesentlichen transparent sind. Eine äußere Schicht sollte aus einem dielektrischen Material, wie Siliciumdioxid, mit einem Brechungsindex unter dem des Substrats bestehen. Eine innere Schicht sollte ein Metalloxid mit vernünftig hohem Brechungsindex sein, die schnell abgeschieden werden kann, ohne dass eine große Wärmemenge auf da Substrat übertragen würde.
Ein temperaturempfindliches Substrat wie Kunststoff kann durch diese Antireflexbeschichtung bedeckt werden, da eine kleine Wärmemenge an das Substrat übertragen wird. Die Beschichtung kann Kunststoffflächen wie Polycarbonat, Acryl, Polystyrol, Polyethylen und CR 39 bedecken. Im Allgemeinen weisen Kunststoffe Brechungsindizes im Bereich von 1,43 bis ungefähr 1,62 auf.
Wie es in der 1 dargestellt ist, kann die Erfindung in Form einer Antireflexbeschichtung vom Rock-Typ vorliegen. Die Beschichtung 10 kann auf einem Kunststoffsubstrat 15 ausgebildet sein. Der Brechungsindex des Substrats kann bei einer Wellenlänge von ungefähr 510 nm ungefähr 1,5 betragen.
Die vierschichtige Beschichtung gemäß der Erfindung verfügt über Schichten 20, 22, 24 und 26. Die Schichten 20, 22, 24 und 26 können sowohl hinsichtlich ihrer optischen Dicken als auch ihrer räumlichen Dicken beschrieben werden. Die optische Dicke ist das mathematische Produkt aus der räumlichen Dicke der Schicht und ihrem Brechungsindex. Die optische Dicke wird als Bruchteil der Designwellenlänge λ₀ beschrieben. Bei der Erfindung kann λ₀ irgendeine Wellenlänge im Bereich von ungefähr 480 nm bis 56 nm sein, was ungefähr der Mitte des sichtbaren Spektrums entspricht. Die Auswahl der speziellen Designwellenlänge λ₀ hängt vom Bereich der Wellenlängen ab, über den die Beschichtung wirksam sein muss. Vorzugsweise beträgt λ₀ ungefähr 510 bis 520 nm.
Die erste oder äußerste Schicht 20 verfügt über einen niedrigen Brechungsindex, vorzugsweise unter dem des Substrats 15. Die optische Dicke der Schicht 20 beträgt bei der Designwellenlänge λ₀ ungefähr ein Viertel der Wellenlänge. Die zweite Schicht 22 verfügt über einen Brechungsindex über dem es Substrats. Die zweite Schicht 22 verfügt bei der Designwellenlänge λ₀ über eine optische Dicke zwischen ungefähr einem Viertel und einem Drittel der Wellenlänge. Hier kann ein Gegensatz zur herkömmlichen optischen Beschichtung vom Rock-Typ unter Verwendung von Titanoxid festgestellt werden, bei der die zweite Schicht eine halbe Wellenlänge oder sogar mehr ausmacht. Die dritte Schicht 24 verfügt über einen Brechungsindex unter dem der zweiten Schicht, und er kann demjenigen der ersten Schicht entsprechen. Die dritte Schicht 24 verfügt bei der Designwellenlänge λ₀ über eine optische Dicke von ungefähr einem Zehntel der Wellenlänge oder weniger. Die vierte oder innerste Schicht 26, die an das Substrat angrenzt, verfügt über einen Brechungsindex über dem des Substrats. Der Brechungsindex der vierten Schicht 26 kann demjenigen der zweiten Schicht 22 entsprechen. Die vierte Schicht 26 kann bei der Designwellenlänge λ₀ eine optische Dicke von ungefähr einem Zehntel der Wellenlänge aufweisen. Die optische Gesamtdicke der Schichten 24 und 26 ist bei der Designwellenlänge λ₀ im Allgemeinen kleiner als ungefähr ein Viertel der Wellenlänge, und bevorzugter ist sie ungefähr ein Sechstel der Wellenlänge. Die Brechungsindizes der Schichten 20 und 22 müssen über eine spezielle Beziehung verfügen, um die niedrigste Reflexion über das sichtbare Spektrum zu liefern. Die erste und die dritte Schicht können Brechungsindizes zwischen ungefähr 1,2 und 1,5 aufweisen, und die zweite und die vierte Schicht können Brechungsindizes zwischen ungefähr 1,9 und 2,2 aufweisen.
Bei durch reaktives Gleichspannungssputtern hergestellten Beschichtungen ist das bevorzugte Material für die Schichten 20 und 24 Siliciumdioxid. Dieses Material ist bevorzugt, da es beständig ist und durch reaktives Gleichspannungssputtern leicht abgeschieden wird. Siliciumdioxid weist bei einer Wellenlänge von ungefähr 520 nm einen Brechungsindex von ungefähr 1,46 auf.
Die Schichten 22 und 26 sind durch reaktives Gleichspannungssputtern hergestellte Metalloxidschichten. Eine der Schichten 22 oder 26 ist eine Metalloxidschicht, die schnell abgeschieden werden kann, wie aus Zinnoxid, Indiumoxid, Zinkoxid, mit Zinn dotiertem Indiumoxid, mit Antimon dotiertem Zinnoxid, Bismutzinnoxid und Zinkzinnoxid. Um die Wärmemenge, die das Substrat erreichen kann, zu verringern, ist es bevorzugt, dass die dickere Schicht, die zweite Schicht 22, aus dieser Gruppe besteht. Jedoch ist es bevorzugter, dass sowohl die zweite Schicht 22 als auch die vierte Schicht 26 aus dieser Gruppe von Metalloxiden bestehen.
Die Metalloxidschichten können leitend oder nichtleitend sein. Es ist bevorzugt, dass für eine nichtleitende Metalloxidschicht Zinnoxid verwendet wird. Es ist bevorzugt, dass für eine leitende Metalloxidschicht mit Zinn dotiertes Indium verwendet wird.
Die Erfindung wurde hinsichtlich der relativen Abfolge von Brechungsindizes und eines Bereichs der optischen Dicke beschrieben. Die genauen räumlichen und optischen Dicken der Schichten hängen von den verwendeten Materialien und der gewünschten Funktion ab. Außerdem können verschiedene Abscheidungsverfahren für ausgewählte Schichten verschiedene Brechungsindexwerte erzeugen.
Das menschliche Auge ist bei einigen Wellenlängen des sichtbaren Lichts empfindlicher als bei anderen Wellenlängen. Eine Art, die Effektivität einer Antireflexbeschichtung zu messen, besteht im Vergleichen der Leuchtstärke der Beschichtungen. Die Leuchtstärke ist der integrale Wert der Reflexion der Beschichtung über die sichtbaren Wellenlängen, gewichtet mit dem Ansprechverhalten des menschlichen Auges.
Die 2 zeigt die berechnete Reflexionsfunktion für drei verschiedene Systeme. Das Reflexionsvermögen eines Substrats aus normalem Glas oder Kunststoff ohne jegliche Antireflexbeschichtung ist durch eine Kurve 30 gegeben. Bei einem Glas- oder Kunststoffsubstrat mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,5 beträgt die Reflexion ungefähr 4,3 Prozent über das gesamte sichtbare Spektrum. Obwohl sowohl Glas als auch Kunststoff am blauen Ende des Spektrums über ein geringfügig höheres Reflexionsvermögen verfügen, kann es durch einen einzelnen Wert angenähert werden, wie es durch die Kurve 30 dargestellt ist. Die Leuchtstärke eines unbeschichteten Substrats beträgt ungefähr 4,3 Prozent.
Eine Kurve 33 zeigt das Reflexionsvermögen als Funktion der Wellenlänge für ein Glassubstrat mit einer gemäß Rock aufgebauten vierschichtigen Antireflexbeschichtung, wie sie unten unter Bezugnahme auf die Tabelle 1 erörtert wird, wobei Titanoxidschichten verwendet sind. Eine Kurve 36 zeigt das Reflexionsvermögen als Funktion der Wellenlänge für ein Kunststoffsubstrat mit einer erfindungsgemäß aufgebauten vierschichtigen Beschichtung unter Verwendung einer Zinnoxidschicht, die schnell abgeschieden werden kann.
Beim Beispiel der Tabelle 1 ist das die Schichten 20 und 24 bildende Material Siliciumdioxid mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,46, und das die Schichten 22 und 26 bildende Material ist Titandioxid mit einem Brechungsindex von ungefähr 2,35. Die Leuchtstärke der vierschichtigen Beschichtung unter Verwendung von zwei Titandioxidschichten beträgt näherungsweise 0,10 Prozent. Dies ist eine vierzigfache Verbesserung der Leuchtstärke gegenüber einem Glassubstrat, das über keine Antireflexbeschichtung verfügt.
TABELLE 1
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Tabellen 2 und 3 zwei spezielle Beispiele einer gemäß der Erfindung aufgebauten Beschichtung 10 beschrieben. Eine Kurve 36 in der 2 entspricht der berechneten Funktion der Ausführungsform der Tabelle 2. Die berechnete Funktion der Ausführungsform der Tabelle 3 ist praktisch identisch mit der Funktion der Ausführungsform der Tabelle 2, wie durch die Kurve 36 dargestellt, weswegen sie nicht dargestellt ist.
Bei der Ausführungsform der Tabelle 2 bestehen die erste Schicht 20 und die dritte Schicht 24 aus Siliciumdioxid (SiO₂), und die zweite Schicht 22 und vierte Schicht 26 bestehen aus Zinnoxid (SnO₂). Die Siliciumdioxidschichten verfügen über einen Brechungsindex von ungefähr 1,48 und die Zinnoxidschichten verfügen bei einer Referenzwellenlänge λ₀ von 510 nm über einen Brechungsindex von ungefähr 2,13. Die erste Schicht ist 94,16 nm dick, die zweite Schicht ist 76,35 nm dick, die dritte Schicht ist 31,87 nm dick, und die vierte Schicht ist 20,29 nm dick. Diese Beschichtung verfügt über eine berechnete Leuchtstärke von ungefähr 0,19 Prozent. Dies ist eine ungefähr 20fache Verbesserung der Leuchtstärke gegenüber einem Kunststoffsubstrat ohne Antireflexbeschichtung, und im Vergleich mit der Beschichtung gemäß der Tabelle 1 zeigt sich ein günstiges Verhalten.
TABELLE 2
Bei der Ausführungsform der Tabelle 3 ist Siliciumdioxidschicht für die erste Schicht 20 und die dritte Schicht 24 verwendet, und Zinnoxid ist für die zweite Schicht 22 und die vierte Schicht 26 verwendet. Die Siliciumdioxidschicht verfügt bei der Referenzwellenlänge λ₀ über einen Brechungsindex von ungefähr 1,48. Die Zinnoxidschicht verfügt bei der Referenzwellenlänge von 550 nm über einen Brechungsindex von ungefähr 2,0. Die erste Schicht ist 92,22 nm dick, die zweite Schicht ist 78,13 nm dick, die dritte Schicht ist 32,21 nm dick, und die vierte Schicht ist 18,64 nm dick. Diese Ausführungsform zeigt eine berechnete Leuchtstärke von näherungsweise 0,22 Prozent, was ungefähr derselbe Wert wie bei der Ausführungsform der Tabelle 2 ist.
TABELLE 3
Eine leitende Beschichtung für ein temperaturempfindliches Substrat kann dadurch aufgebaut werden, dass eine oder beide Zinnoxidschichten durch mit Zinn dotierte Indiumoxidschichten ersetzt werden. Bei der Ausführungsform der Tabelle 4 ist für die erste Schicht 20 und die dritte Schicht 24 Siliciumdioxid verwendet, für die zweite Schicht 22 ist mit Zinn dotiertes Indiumoxid verwendet, und für die vierte Schicht 26 ist Zinnoxid verwendet. Diese Ausführungsform zeigt eine berechnete Leuchtstärke von näherungsweise 0,20 Prozent.
TABELLE 4
Gemäß der Erfindung kann eine nichtleitende Beschichtung für ein Kunststoffsubstrat mit niedrigem Brechungsindex aufgebaut werden. Bei der Ausführungsform der Tabelle 5 ist das Substrat 15 Acrylkunststoff mit einem Brechungsindex von 1,475. Für die erste Schicht 20 und die dritte Schicht 24 ist Siliciumdioxid verwendet, und für die zweite Schicht 22 und die vierte Schicht 26 ist Zinnoxid verwendet. Diese Ausführungsform verfügt über eine berechnete Leuchtstärke von näherungsweise 0,18 Prozent.
TABELLE 5
Die Abscheidungsraten der bei den Beschichtungen gemäß der Erfindung verwendeten Metalloxide sind sehr hoch, ungefähr fünf bis 50 mal höher als bei Titandioxid, und sie können der Sputtergeschwindigkeit von Siliciumdioxid entsprechen oder diese überschreiten. So kann die erfindungsgemäße Beschichtung mit einer Inlinevorrichtung abgeschieden werden, bei der sich das Substrat mit konstanter, hoher Liniengeschwindigkeit bewegt. Dies verringert die Herstellkosten wegen höher Herstellgeschwindigkeiten stark.
Z. B. kann eine Beschichtung mit Schichten aus Siliciumdioxid und Zinnoxid, wie die Beschichtung der Tabelle 2, durch reaktives Gleichspannungssputtern in Argon- und Sauerstoffatmosphäre auf einem Substrat von 42 Zoll auf 50 Zoll mit einer Liniengeschwindigkeit von 80 Zoll pro Minute abgeschieden werden. Die Inlinemaschine kann über eine mit näherungsweise 8 kW betriebene Zinnkathode, zwei mit näherungsweise jeweils 15 kW betriebene Siliciumkathoden, zwei mit näherungsweise jeweils 10 kW betriebene Zinnkathoden und schließlich sechs mit näherungsweise jeweils 15 kW betriebene Siliciumkathoden verfügen.
Die Abscheidung der Metalloxidschichten bei der Erfindung benötigt nur ungefähr zwei Prozent der Eingangsleistung, wie sie für Titanoxidschichten erforderlich wäre, die mit derselben Liniengeschwindigkeit durchlaufen. Um z. B. eine Beschichtung mit Schichten aus Siliciumdioxid und Titandioxid, wie die Antireflexbeschichtung der Tabelle 1, mit einer Liniengeschwindigkeit von 80 Zoll pro Minute abzuscheiden, würde der Inlinebeschichter mindestens sieben mit jeweils 150 kW betriebene Titankathoden benötigen. Daher überträgt eine gemäß der Erfindung aufgebaute Beschichtung nur ungefähr zwei Prozent der Wärme an das Substrat, wie sie bei einer Beschichtung unter Verwendung von Titandioxid übertragen wird. Außerdem kann eine gemäß der Erfindung aufgebaute Beschichtung mit vernünftiger Eingangsleistung und hoher Liniengeschwindigkeit abgeschieden werden.
Die Erfindung wurde in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist der Schutzumfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Beschichteter Gegenstand mit einem Substrat (15) und einer Antireflexbeschichtung mit mehreren für sichtbares Licht im wesentlichen transparenten Schichten (20, 22, 24, 26), zu denen mindestens zwei reaktiv aufgesputterte Materialschichten (22, 26) mit gegenüber dem Substrat (15) größerem Brechungsindex und mindestens eine weitere Schicht (20, 24) mit einem gegenüber dem Substrat (15) kleinerem Brechungsindex gehören, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (15) ein Kunststoffsubstrat mit einem gegenüber Glas kleineren Schmelzpunkt ist, das Material jeder der mindestens zwei Schichten (22, 26) aus der aus Zinnoxid, Indiumoxid, Zinkoxid, mit Zinn dotiertem Indiumoxid, mit Antimon dotiertem Zinnoxid, Zinn-Wismut-Oxid und Zinn-Zink-Oxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist und die von dem Substrat (15) am weitesten entfernte Materialschicht mit hohem Brechungsindex eine optische Dicke einer Viertel- bis zu einer Drittel-Wellenlänge bei einer Wellenlänge von 480 bis 560 nm aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die besagte weitere Schicht (20, 24) im wesentlichen aus Siliciumdioxid besteht.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei das aufgesputterte Material Zinnoxid ist.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei das aufgesputterte Material mit Zinn dotiertes Indiumoxid ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das aufgesputterte Material einen Brechungsindex zwischen 1,9 und 2,2 hat.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die mehreren Schichten vier Schichten umfassen, bezeichnet als erste, zweite, dritte und vierte Schicht (20, 22, 24, 26) in aufeinanderfolgender numerischer Ordnung, beginnend mit der vom Substrat (15) am weitesten entfernten Schicht, wobei die erste Schicht (20) einen kleineren Brechungsindex als das Substrat (15) und eine optische Dicke etwa einer Viertel-Wellenlänge bei einer Wellenlänge zwischen 480 und 560 nm hat, wobei die zweite Schicht (22) einen größeren Brechungsindex als das Substrat (15) und eine optische Dicke zwischen etwa einer Viertel- und einer Drittel-Wellenlänge bei einer Wellenlänge zwischen 480 und 560 nm hat, wobei die dritte Schicht (24) einen kleineren Brechungsindex hat als die zweite Schicht (22), wobei die vierte Schicht (26) einen größeren Brechungsindex hat als die dritte Schicht (24), wobei die dritte und die vierte Schicht (24, 26) eine optische Gesamtdicke von weniger als einer Viertel-Wellenlänge bei einer Wellenlänge zwischen 480 und 560 nm haben und wobei die zweite und/oder die vierte Schicht (22, 26) aus dem gewählten aufgesputterten Material besteht.
Gegenstand nach Anspruch 6, wobei sowohl die zweite als auch die vierte Schicht (22, 26) aus aufgesputterten Materialien bestehen, die aus der aus Zinnoxid, Indiumoxid, Zinkoxid, mit Zinn dotiertem Indiumoxid, mit Antimon dotiertem Zinnoxid, Zinn-Wismut-Oxid und Zinn-Zink-Oxid bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
Gegenstand nach Anspruch 6, wobei die erste und die dritte Schicht (20, 24) im wesentlichen aus Siliciumdioxid bestehen.
Gegenstand nach Anspruch 8, wobei das aufgesputterte Material der zweiten und der vierten Schicht (22, 26) Zinnoxid ist.
Gegenstand nach Anspruch 9, wobei die erste Schicht (20) eine räumliche Dicke von etwa 94,2 nm, die zweite Schicht (22) eine solche von etwa 76,4 nm, die dritte Schicht (24) eine solche von etwa 31,9 nm und die vierte Schicht (26) eine solche von etwa 20,3 nm hat.
Gegenstand nach Anspruch 9, wobei die erste Schicht (20) eine räumliche Dicke von etwa 92,2 nm, die zweite Schicht (22) eine solche von etwa 78,1 nm, die dritte Schicht (24) eine solche von etwa 32,2 und die vierte Schicht (26) eine solche von etwa 18,6 nm hat.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Gegenstands, wobei ein Substrat (15) bereitgestellt wird und auf diesem eine Antireflexbeschichtung aus mehreren für sichtbares Licht im wesentlichen transparenten Schichten (20, 22, 24, 26) vorgesehen wird, wobei zu den Schichten mindestens zwei reaktiv aufgesputterte Materialschichten (22, 26) mit einem gegenüber dem Substrat (15) größeren Brechungsindex und mindestens eine weitere Schicht (20, 24) mit einem gegenüber dem Substrat (15) kleineren Brechungsindex gehören, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (15) ein Kunststoffsubstrat mit einem gegenüber Glas kleineren Schmelzpunkt ist, das Material jeder der mindestens zwei Schichten (22, 26) aus der aus Zinnoxid, Indiumoxid, Zinkoxid, mit Zinn dotiertem Indiumoxid, mit Antimon dotiertem Zinnoxid, Zinn-Wismut-Oxid und Zinn-Zink-Oxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist und die von dem Substrat (15) am weitesten entfernte Materialschicht mit hohem Brechungsindex eine optische Dicke einer Viertel- bis zu einer Drittel-Wellenlänge bei einer Wellenlänge von 480 bis 560 nm aufweist.