WO2009118034A1 - Verfahren zur herstellung eines mehrkomponentigen, polymer- und metallhaltigen schichtsystems, vorrichtung und beschichteter gegenstand - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines mehrkomponentigen, polymer- und metallhaltigen schichtsystems, vorrichtung und beschichteter gegenstand Download PDF

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vacuum
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Michael Vergöhl
Thomas Neubert
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • C23C14/562—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks for coating elongated substrates

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a layer system on a substrate and to a system which is suitable for carrying out the method and to an article produced by means of the method.
  • Layer systems are mostly so-called thin-film systems, which are applied to the substrate by vapor deposition methods.
  • the articles thus produced are used in various fields of technology.
  • sputtered on a substrate metal oxides are called which z. B. in the display, flat glass and automotive industry as well as in precision optics and ophthalmic be applied.
  • process-related technical advantages such as the particularly high hardness and density of the applied layer are reversed: the different coefficients of expansion of the various mechanical and chemical properties of polymers and oxides often lead to poorer performance Layer adhesion and cracking.
  • the object of the present invention is to provide a method which does not have the aforementioned problems in the application of different layers to a substrate and allows novel layer systems.
  • a first vacuum coating source which consists of at least one first coating material dissolved in a solvent
  • the first coating material bonds better to a substrate than the solvent under a prevailing negative pressure, and the solvent is desorbed from the first vacuum coating source under irradiation by an irradiation source, whereby the first coating material is exposed from an exposed surface of the first vacuum source.
  • coating source is released.
  • a second vacuum coating source which has at least one second coating material, is positioned. The second coating material is released by a vapor deposition method and the released first and second layer materials are deposited on the substrate in such a way.
  • the positioning of the first and second vacuum coating sources is such that the released first and second layer materials can deposit from the vacuum coating sources on the substrate.
  • the mastery of these process parameters is well known.
  • the method according to the invention it becomes possible to produce layer systems which have properties which are not yet available in the prior art.
  • monomers and polymers can be deposited on the substrate by means of the first coating material dissolved in a solvent.
  • the first vacuum coating source is a monomer source which has been frozen, for example by means of liquid nitrogen, and which is heated by the irradiation source. This is done in contrast to the prior art not with an excimer laser, but only with an adjusted irradiation source.
  • an ion beam source as the irradiation source in the method according to the invention has the effect that at low ion energies and high ion currents or high current densities, the first layer material can be dissolved out of the solvent without destroying the first layer material.
  • the second coating material is located on a second vacuum coating source and can thus be deposited on the substrate before, after or simultaneously with the first coating material.
  • a second coating material which differs greatly in its properties from those of the first coating material, so layer systems are possible whose production was not previously feasible.
  • an ion beam source contributes in particular to the fact that the method for applying the first coating material can also be realized on a large industrial scale. Until now, this was only possible with great difficulty when using the laser. In this case, the surprising effect of the ion beam source or merely the irradiation by means of direct radiation heating helps to apply the first layer material dissolved in the solvent to the substrate.
  • the vapor deposition method is a physical vapor deposition method, preferably a magnetron sputtering or reactive magnetron sputtering.
  • Physical vapor deposition processes are already scalable on a large industrial scale. This applies in particular to magnetron sputtering, in which already high reaction rates can be achieved. Also, the thickness of the applied layer is easy to control.
  • the radiation source in the pulsed operation can be used.
  • high energy inputs occur for a short time, which on the one hand cause removal of the first layer material from the first vacuum coating source, but on the other hand reduce the time-integrated energy input.
  • the method is used when the substrate has a plastic surface and preferably consists of a plastic.
  • this method it is also possible to improve the adhesion of inorganic coatings produced by sputtering or vapor deposition on plastic substrates such as PMMA, PC or PET.
  • the plastic surface is activated by means of a plasma treatment before the deposition of the first and / or second coating material. This has the advantage that the surface can be better contacted by the first and / or second coating material, which improves the adhesion between the substrate and the first and / or second layer.
  • first a layer of the first coating material is deposited on the substrate and then a layer of the second coating material or a mixed layer, ie composite layer, of the first and the second layer material is deposited on the substrate.
  • the first layer of the first coating material forms an adhesive layer between the substrate and the following layers.
  • adheresive layer is to be understood not only as meaning that the adhesion between the substrate and the first layer is improved, but also the adhesion between the first layer and the second layer is substantially improved.
  • gradient composite layers of different composition can be produced, which can be examined under process parameters in their mechanical properties, such as, for example, bracing, adhesion, hardness and cracking, in various compositions and subsequently produced.
  • the first coating material and the second coating material are simultaneously deposited as a layer on the substrate.
  • the mixed layer designed in this way does not necessarily have to be applied as a first, second or third layer, but can be applied at any desired time.
  • the first layer material is a monomer or a polymer. This is particularly advantageous in connection with a plastic substrate or a substrate having a plastic surface, since the first coating material forms the aforementioned adhesive layer in this case.
  • Suitable polymers are, for example, PET, PMMA or PEG.
  • the second coating material is a metal, preferably aluminum, silicon, niobium or titanium, or a metal mixture such as In: Sn, or a metal ceramic such as SiO 2 , Si 2 N 4 , Al 2 O 3 , NbOx , TiOx, TaOx, In 2 O 3 : Sn, MgF 2 or MgO.
  • a metal ceramic such as SiO 2 , Si 2 N 4 , Al 2 O 3 , NbOx , TiOx, TaOx, In 2 O 3 : Sn, MgF 2 or MgO.
  • the second coating material is preferably applied to a layer of the first coating material consisting of a polymer or monomer or another organic material so as to improve the adhesion between a substrate, particularly preferably a plastic substrate, and the metal layer.
  • a substrate particularly preferably a plastic substrate
  • the metal layer is preferably applied to a layer of the first coating material consisting of a polymer or monomer or another organic material so as to improve the adhesion between a substrate, particularly preferably a plastic substrate, and the metal layer.
  • the first and the second vacuum coating source are spaced apart from one another and are preferably separated from one another by a coating protection.
  • a coating protection in particular the more sensitive first layer material can be applied undisturbed by the application method of the second layer material, which increases the yield and thus the layer quality, in particular of the first coating material.
  • a simple shading sheet between the first and the second vacuum coating source can serve as coating protection.
  • the uncoated substrate is moved past a movable substrate holder past the first and second vacuum coating sources.
  • the uncoated substrate is coated, wherein the coating may consist of both a plurality of pure layers of either the first or the second layer material or may consist of individual layers of mixed layers, which have both the first and the second layer material.
  • a system for coating a substrate with a layer system is suitable for carrying out the method according to the invention, the system comprising a coating chamber, a substrate holder, a first vacuum coating source, preferably of a first coating material dissolved in a solvent, and an irradiation source second vacuum coating source, preferably with a second coating material, and a device for vapor deposition is present, so that the second coating material is deposited on the substrate.
  • a system for coating a substrate with a layer system is suitable for carrying out the method according to the invention, the system comprising a coating chamber, a substrate holder, a first vacuum coating source, preferably of a first coating material dissolved in a solvent, and an irradiation source second vacuum coating source, preferably with a second coating material, and a device for vapor deposition is present, so that the second coating material is deposited on the substrate.
  • the layer system has at least one first and one layer system second layer.
  • the first layer can be formed by a pure polymer layer such as PMMA, PE, PP, PC, PET, PVC, PTFE, a copolymer layer or an organic, non-polymeric layer such.
  • the second layer may consist of a composite layer of polymer or organic material and metal, such as Si, Al, Ti, Nb, Cu, Cr or C.
  • a composite layer of polymer or organic material and metal ceramics preferably oxides, but also fluorides and nitrides, such as, for example, SiO 2, Si 3 N 4, Al 2 O 3, NbO x, TiO x, TaO x, In 2 O 3: Sn, MgF 2 or MgO, is advantageous.
  • the second layer or a further layer arranged on the second layer may also merely be a simple metal or metal-ceramic layer.
  • the composite layers it is possible by means of a layer gradient between the organic material and the metal oxide to produce an adhesion-promoting effect between the substrate and metal or metal-ceramic layers which could not be produced by previous methods.
  • the elasticity of the usually hard and brittle metal and metal-ceramic layers is increased by the supply of organic layer components and polymers. This results in greater flexibility and stretchability of the layers, less cracking and greater mechanical resistance.
  • Sub-layers for photocatalytic layers e.g. anatases TiO2, on plastic substrates like
  • biopolymers can also be incorporated.
  • biopolymers can be applied to the layer, for example, as a monomer or else directly as a biopolymer from the source.
  • Non-limiting examples include: proteins, peptides, polysaccharides (starch, cellulose, glycogen) and polyglucosamine (chitin, chitosan).
  • Ion beam source is then as described above in the greatly improved Aufskalier sadness compared to a laser.
  • the use of the ion beam source can improve the application of the first layer material to a plastic substrate.
  • Possible layer and / or substrate materials can be taken from the previous sections.
  • objects can be produced which have a substrate made of plastic with a pure polymer or copolymer layer applied thereon.
  • Fig. 2 shows an article according to the invention.
  • a system 1 for performing various embodiments of the method according to the invention is shown.
  • the system 1 has a coating chamber 10 in which an ion beam source 11, a turbo-pump 12 and a rotary motor 13 with an axis of rotation 14 attached thereto are arranged.
  • a substrate holder 20 for holding substrates 21, 21 ' is arranged on the rotation axis 14.
  • the substrate holder 20 is rotated about the rotation axis 14 about the rotation motor 14.
  • the ion beam source 11 is arranged to irradiate a first vacuum deposition source 31.
  • the irradiation is carried out with low-energy ions with high current densities so as not to destroy the first coating material located in the first vacuum coating source 31.
  • the first vacuum coating source 31 is made of a deep-frozen first coating material dissolved in a solvent.
  • the first coating material in the present case is a monomer of methyl methacrylate.
  • the first coating material is released from the surface of the first vacuum coating source 31 facing the substrate 21 and deposits on the substrates 21 and 21 'due to the prevailing negative pressure in the coating chamber 10.
  • the monomers either combine to form polymers, either on the path between the first vacuum coating source 31 and the substrates 21 and 21 ', respectively the connection to polymers takes place only on the substrate 21 or 21 'itself.
  • the substrates 21 and 21 are plastic sheets or films of PMMA.
  • Layer material then forms a polymer layer on the surface of the substrate 21 due to the irradiation, so that a first pure polymer layer is formed on the bare PMMA.
  • the method also works when only the uncoated surface of the substrate is made of PMMA.
  • the working pressure is in the range between 10 "1 to 10 " 7 mbar, wherein preferably a working pressure of 10 "2 to 10 " 4 mbar is maintained in the coating chamber.
  • the first vacuum coating source 31 and the second vacuum coating source 41 are spatially separated from each other by a coating protector 42, and the meaning of the separation will be described later.
  • the second vacuum coating source 41 comprises a second coating material, which in the present case is titanium. Between the second vacuum coating source
  • the coating protection 42 prevents the plasma, and in particular the highly reactive oxygen ions, from extending into the subregion of the coating chamber 10 which lies between the first vacuum coating source 31 and the substrate holder 20. This is to prevent the reactive oxygen ions from being released from the first vacuum coating source 31
  • the titanium from the second vacuum deposition source 41 is deposited on the substrate 21 'and 21, respectively, by magnetron sputtering.
  • oxygen is added to the plasma, which is usually formed by argon ions, so that the titanium dissolved out of the second vacuum coating source 41 combines with the oxygen to form a titanium oxide.
  • the titanium oxide is then deposited as a thin layer on the substrate 21 'and 21, respectively.
  • the system 1 shown in FIG. 1 a can be operated in several operating modes.
  • a first operating mode the substrates 21 and 21 'can first be coated with a polymer layer by means of the ion beam source 11. This is possible because the rotary motor 13 rotates the substrate holder 20 about the axis of rotation 14 and thus all substrates located on the substrate holder can be covered with the polymer layer.
  • the polymer coating process is stopped and the titanium of the second vacuum Layering source 41 is removed from the second vacuum coating source 41 by means of magnetron sputtering.
  • a second layer is deposited on the first layer of the substrate, which may consist of a titanium oxide, generally of a metal oxide, semi-metal oxide, metal, semi-metal or a metal ceramic.
  • a titanium oxide generally of a metal oxide, semi-metal oxide, metal, semi-metal or a metal ceramic.
  • these optical layer systems have good adhesion, since they are not deposited directly on the substrate made of PMMA itself, but rather on a PMMA metal oxide transition layer with stronger toothing and chemical bonding between the polymer and the metal oxide.
  • the deposited on the substrate layers have a good quality, in particular, it is prevented that the metal oxide layer is poorly liable or cracks.
  • a first layer of a polymer can be deposited on the substrate 21 or 21 'and then, with simultaneous operation of the ion beam source 11 and the magnetron of the second vacuum coating source 41, a mixed layer can be applied during rotation of the substrate holder 20 along the axis of rotation 14, which consists of both a polymer and a metal oxide.
  • concentration of the individual components of the mixed layers ie the weight percentages of the first and the second layer materials, for example via the deposition rates of the first or the second layer material or the rotational speed of the substrate holder 20 can be adjusted.
  • the layer properties can be changed, which in particular brings new opportunities for hardness, elasticity and the refractive and absorption index and the layer adhesion with it.
  • a further metal or metal oxide layer could also be applied to such a mixed layer by means of magnetron sputtering or another physical vapor deposition process.
  • Other physical deposition methods such as thermal evaporation, electron beam evaporation or ion beam sputtering, are suitable for applying the second layer material in addition to magnetic sputtering.
  • FIG. 1b shows a further system I 1 which is particularly well suited for the production of coated substrates on an industrial scale.
  • the system I 1 has a coating chamber 10 'into which a substrate holder 20' can be retracted via an entrance lock 15 and driven out via an exit lock 15 '.
  • the guide means of the substrate holder 20 ' which is not shown in the drawing, in the present example, the substrate from right to left. This means in particular that the substrate 22 applied to the substrate holder 20 'is not yet coated on the right-hand input side of the coating chamber 10', but is coated with different layers at the exit from the coating chamber 10 'through the lock 15'.
  • the substrate can be activated in the inline segment to the right of the lock 15 by means of plasma treatment.
  • the coating chamber 10 ' is under a
  • Vacuum which is comparable to the negative pressure of the system 1 of Fig. Ia, d. H. the negative pressure moves in the same order of magnitude.
  • an ion beam source 11 is shown, which irradiates a first vacuum deposition source 32.
  • the first vacuum coating source 32 like the first vacuum coating source 31 of FIG. 1a, is a first coating material dissolved in a solvent.
  • the ion beam source 11 extends into the image plane, so that the first vacuum coating source 32 is irradiated with low-energy ions over the entire width of the substrate 22 extending into the image plane, so that a first polymer layer projects over the entire surface projecting into the image plane Width of the substrate 22 may extend.
  • the substrate 22 is a plastic substrate made of PET.
  • the first layer material of the first vacuum deposition source 32 in the present example is polymethyl methacrylate (PMMA), but may also be a polyethylene glycol (PEG). On the substrate 22, therefore, a PMMA layer is first applied.
  • the substrate 22 now coated with a first PMMA layer is transported farther to the left beyond a coating protection 44 which separates the coating process of the first layer from the coating process of a second layer.
  • the second coating process takes place by means of a second vacuum Layer Source 43.
  • the second vacuum deposition source 43 is disposed at a slight angle to the wall of the deposition chamber 10 'such that even some of the second layer material sputtered by magnetron sputtering of the second vacuum deposition source 43 together with some of the first layer material of the first vacuum deposition source 32 may form a mixed layer on the substrate 22.
  • the second layer material of the second vacuum coating source 43 is silicon, wherein the plasma located between the substrate 22 and the second vacuum coating source 43 is enriched with oxygen to form a reactive plasma, so that the layer deposited on the substrate is a silicon oxide.
  • a pure metal such as aluminum, chromium or titanium or their ceramic forms could be deposited on the substrate.
  • Layer of the second layer material has been deposited on the provided with the first layer and the mixed layer substrate 22, the arranged on the substrate holder 20 'substrate leaves the coating chamber 10' through the lock 15 'for further processing.
  • the method according to the invention and / or its embodiments is simple and scalable for
  • optical layer systems such as, for example, As antireflection coatings, filters or selective mirrors, which can be used in the automotive industry, in the field of consumer optics, in ophthalmology, in medical technology, in sensor technology or in display technology.
  • FIGs. Ia and Ib shown systems 1 and 1 ', instead of an ion beam source 11 and a radiant heater for irradiating the first
  • Vacuum coating source 31 and 32 are used for a metered irradiation of the first vacuum coating source. Even with a metered irradiation of the first vacuum coating source, it is possible to desorb the solvent and to detach the first layer material, so that it can settle in the form of a layer on a substrate.
  • FIG. 2 is also intended to deal with a coated substrate 23, which by means of various embodiments of the invention
  • the coated one Substrate 23 comprises a plastic 230, which represents an uncoated substrate.
  • the plastic 230 itself may be, for example, a PMMA, PC or PET.
  • a first layer 231 is applied, which consists of a polymer such as polymethyl methacrylate or polyethylene glycol.
  • a mixed layer 232 is applied, which consists of both a first and a second layer material, wherein the first layer material is a polymer and the second layer material is a metal or metal oxide.
  • a second layer 233 is applied, which consists of the one metal or metal oxide.
  • Layer material is referred to previous sections.
  • the thickness of the various layers can vary between a few nm to a few ⁇ m.
  • the single-layer thicknesses are in the range between 1 nm and several 100 nm
  • coated substrate 23 illustrated herein may then be further processed into articles as previously described or as recited in the claims.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Schichtsystemen auf Substraten (22) sowie ein System zur Durchführung des Verfahrens und ein mittels einer Ausführungsform des Verfahrens hergestellter Gegenstand. In dem Verfahren wird eine erste Vakuumbeschichtungsquelle (32) mit einer Bestrahlungsquelle (11) bestrahlt, wobei die erste Vakuumbeschichtungsquelle (32) aus einem ersten Schichtmaterial besteht, welches in einem Lösungsmittel gelöst ist. Die zweite Vakuumbeschichtungsquelle (43) wird mittels eines Gasphasenabscheidungsverfahrens auf das Substrat aufgebracht. Auf diese Weise können neuartige Schichtsysteme sowie Mischschichten, insbesondere Mischschichten aus Polymeren und Metallen oder Metalloxiden aufgebracht werden.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems
(230) auf einem Substrat (21, 21' ; 22; 23) , welches folgende Schritte umfasst:
a) Positionierung einer ersten Vakuumbeschich- tungsquelle (31; 32) , welche mindestens ein in einem Lösungsmittel gelöstes erstes Be- schichtungsmaterial (231) aufweist, wobei das erste Beschichtungsmaterial (231) unter Unterdruck besser an das Substrat (21, 21' ; 22; 23) bindet als das Lösungsmittel und das Lösungsmittel unter Bestrahlung durch eine Bestrahlungsquelle (11) aus der ersten Vakuumbeschichtungsquelle desorbiert wird, wodurch das erste Beschichtungsmaterial von einer der Bestrahlung ausgesetzten Oberfläche der ersten Vakuumbeschichtungsquelle (31; 32) freigesetzt wird; b) Positionierung einer zweiten Vakuumbeschichtungsquelle (41; 43), welche mindestens ein zweites Beschichtungsmaterial (233) aufweist;
c) Bestrahlung der ersten Vakuumbeschichtungsquelle (31; 32) mittels einer Bestrahlungsquelle (11) , wobei das Lösungsmittel durch die auf der ersten Vakuumbeschichtungsquelle (31; 32) auftreffenden Strahlung desorbiert wird und das zweite Beschichtungsmaterial (233) mittels eines Gasphasenabscheidungsver- fahrens freigesetzt wird und das freigesetzte erste und zweite Beschichtungsmaterial (231; 233) auf dem Substrat (21, 21'; 22; 23) abgeschieden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass das Gasphasenabscheidungsverfahren ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren, vorzugsweise Magnetronsputtern oder reaktives Magnetronsputtern, ist und/oder die Bestrahlungsquelle ein Heizstrahl oder eine Ionenquelle oder eine Elektronenstrahlquelle ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungs- quelle (11) gepulst oder in Radiofrequenz betrieben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (21, 21'; 22; 23) eine KunststoffOberfläche
(231) aufweist und vorzugsweise aus einem Kunststoff besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die KunststoffOberfläche (231) vor dem Abscheiden des ersten und/oder zweiten Schichtmaterials (231, 233) mittels Plasmabehandlung aktiviert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Schicht des ersten Schichtmaterials (231) auf das Substrat (21, 21'; 22; 23) abgeschieden wird und anschließend eine Schicht des zweiten Schichtmaterials (231) oder eine Mischschicht
(232) aus dem ersten und dem zweiten Schichtmaterial auf das Substrat abgeschieden wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schichtmaterial (231) und das zweite Schichtmaterial (233) gleichzeitig als eine Schicht auf das Substrat (21, 21'; 22; 23) abgeschieden werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schichtmaterial (231) ein Monomer oder ein PoIy- mer, vorzugsweise ein organisches Monomer oder
Polymer, ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein PE (Polyethylen) , PP (Polypropylen) , PVC (Polyvinylchlorid) , PS (Po- lystyrol) , PTFE (Polytetrafluorethylen) , PMMA
(Polymethylmethacrylat) , PA (Polyamid) , Polyester, PC (Polycarbonat) oder PET (Polyethylente- rephthalat) , PEG (Polyethylenglykol) oder PoIy- acrylsäure ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein Biopolymer ist, vorzugsweise ein Protein wie Enzyme, Haare, Seide, DNA, RNA, oder ein Kohlenhydrat wie Zellulose, Holz, Papier, Stärke, Chitin, oder ein PoIy- hydroxyalkanoat .
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schichtmaterial (233) ein Metall, vorzugsweise Si, Al, Nb, Ta, Bi, Zn, Sn, Mg, Hf, Zr, Ag, Wf oder Ti, eine Metallmischung, vorzugsweise In: Sn oder ZnO: Al, oder eine Keramik, vorzugsweise Si02, Si3N4, A12O3, NbOx, TiOx, TaOx, In2O3:Sn, MgF2 oder MgO ist (alle Oxide von oben, Nitride von oben und Mischungen davon) , und vorzugsweise in keramischer Form auf das Substrat abgeschieden wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Target (31, 41; 32, 43) voneinander beabstandet und vorzugsweise durch einen Be- schichtungsschutz (42; 44) voneinander getrennt sind.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (21, 21'; 22; 23) auf einem beweglichen Substrathalter (20; 20') an der ersten und zweiten Vakuumbeschichtungsquelle (31, 41; 32, 43) vor- beigeführt wird.
14. System (1; 1') zum Beschichten eines Substrats mit einem Schichtsystem, wobei das System eine Beschichtungskammer (10; 10'), einen Substrathalter (20; 20'), eine erste Vakuumbeschich- tungsquelle (31; 32) aus in einem Lösungsmittels gelösten ersten Schichtmaterial (231) und eine Bestrahlungsquelle aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine zweite Vakuumbeschichtungsquelle ( 32 , 43) mit einem zweiten Schichtmaterial (233) vorhanden ist und eine Vorrichtung zur Gasphasenab- scheidung vorhanden ist, so dass das zweite Schichtmaterial (233) auf das Substrat (21, 21'; 22; 23) abscheidbar ist.
15. Gegenstand (200) mit einen mit einem Schichtsystem versehenen Substrat (23) , wobei das Substrat einen Kunststoff und das Schichtsystem (233) mindestens eine erste und eine zweite Schicht aufweist und die erste Schicht Polymere enthält und die zweite Schicht ein Metall oder Metalloxid aufweist.
16. Gegenstand nach Anspruch 15, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Schichtsystem eine Antire- flexschicht, Kratzschutzschicht, Barriereschicht gegen Sauerstoff und/oder Wasserdampf oder eine transparente leitfähige Schicht aufweist.
17. Verwendung eines Gegenstands nach den Ansprüchen 15 oder 16 als Clusterabdeckung im Automobil,
Display mit Antiref lexbeschichtung, Kunststoffscheibe mit Beschichtung nach Anspruch 14 ; Kunststoffscheibe im Automobil, Audio-Videobereich: CD, DVD, Blue-ray disc mit einer Kratz- schutzbeschichtung.
18. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems auf einem Substrat, welches folgende Schritte umfasst :
a) Positionierung einer ersten Vakuumbeschich- tungsquelle, welches aus mindestens einem in einem tiefgekühlten Lösungsmittel gelöstem ersten Schichtmaterial besteht, wobei das erste Schichtmaterial unter Unterdruck besser an das Substrat bindet als das Lösungsmittel und das Lösungsmittel unter Bestrahlung durch eine Ionenquelle aus der ersten Vakuumbe- schichtungsquelle desorbiert wird, wodurch das erste Schichtmaterial von einer der Bestrahlung ausgesetzten Oberfläche der ersten Vakuumbeschichtungsquelle freigesetzt wird; b) Bestrahlung der ersten Vakuumbeschichtungsquelle mittels einer Ionenquelle, wobei die auf die erste Vakuumbeschichtungsquelle auf- treffenden Ionen das Lösungsmittel aus der ersten Vakuumbeschichtungsquelle desorbiert wird und das freigesetzte erste Schichtmaterial auf dem Substrat abgeschieden wird.
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