專(zhuān)利名稱(chēng)：制備層和層系統(tǒng)的方法以及涂敷的基材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有高質(zhì)量光學(xué)性能和/或高表面平滑度的層系統(tǒng)的制備方法，和涉及具有高質(zhì)量光學(xué)性能和/或高表面平滑度的涂敷的基材。
對(duì)基材涂敷特別光學(xué)層以制備光學(xué)組件，例如鏡子或反射器的方法長(zhǎng)期以來(lái)是已知的。光學(xué)層在對(duì)電磁光譜的一定區(qū)域中的輻射的作用方面具有非常寬范圍的功能。
對(duì)基材涂敷特別光學(xué)層系統(tǒng)，其中該光學(xué)層系統(tǒng)由多個(gè)單個(gè)功能層組成，特別是由具有高和低折射率的交替布置的層組成，這些涂敷方法對(duì)于大量的應(yīng)用多年來(lái)同樣是已知的。在此層系統(tǒng)通常用作光干涉膜，它的光學(xué)性能由具有高和低折射率的層的材料的選擇和因此相應(yīng)折射率的選擇，由單個(gè)層的布置和由單個(gè)層的厚度的選擇確定?；旧细鶕?jù)所需的光學(xué)性能和可加工性在使用已知的光學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)輔助工具的情況下進(jìn)行選擇。
近年來(lái)，PVD(物理氣相沉積)工藝和CVD(化學(xué)氣相沉積)工藝成為用于制備層和層系統(tǒng)的主要工藝，特別是用于光學(xué)層和層系統(tǒng)。
CVD工藝用于制備耐火金屬和其它金屬、碳化物、氮化物和氧化物的層。優(yōu)點(diǎn)是可以均勻地和采用高純度水平施加許多具有幾乎是理論密度和良好粘合強(qiáng)度的材料，該優(yōu)點(diǎn)由如下缺點(diǎn)抵消不存在對(duì)于每種所需的層材料合適的反應(yīng)，基材必須能夠承受大多數(shù)情況下高的反應(yīng)溫度和也必須對(duì)于反應(yīng)物是化學(xué)穩(wěn)定的。一般情況下，反應(yīng)期間要求的壓力是10-100Pa，因此粒子的自由通路長(zhǎng)度相對(duì)短和涂敷速率對(duì)于工業(yè)工藝不是最優(yōu)的。
現(xiàn)在相反地，PVC工藝特別是濺射工藝的突出之處在于如下事實(shí)寬范圍的可涂敷的基材材料是可能的，存在涂敷材料的幾乎無(wú)限制的選擇，可以自由地選擇基材溫度，層粘合優(yōu)異和容易通過(guò)選擇工藝參數(shù)影響層的微結(jié)構(gòu)。最初開(kāi)發(fā)的濺射工藝的缺點(diǎn)基本上由各種各樣的發(fā)展消除了，因此現(xiàn)在濺射技術(shù)是最通用的和最廣泛使用的涂敷工藝。
近年來(lái)，磁控濺射(magnetron sputtering)源的使用和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)表明磁控濺射工藝特別適合用于工業(yè)涂敷工藝。磁控濺射工藝允許低壓力范圍(低至0.1Pa以下)中的高涂敷速率同時(shí)保持基材的較少加熱。
用于濺射的過(guò)程是本領(lǐng)域技術(shù)人員基本已知的。
借助于陰極霧化，優(yōu)選通過(guò)磁控管(magnetron)陰極霧化，采用例如在DE4106770中描述的濺射設(shè)備涂敷基材。在此，由層起始材料制成的所謂的靶受到在兩個(gè)電極之間形成的等離子體云的作用，其中靶同時(shí)形成陰極。霧化的靶材料具有對(duì)于反應(yīng)性氣體的親合力，和通過(guò)與后者形成化合物而在基材上沉積為層。
EP0516436B1描述了用于對(duì)基材涂敷一個(gè)或多個(gè)層的磁控濺射裝置。
裝置的特定形式有益于更有效的濺射工藝。為此目的，裝置含有真空腔，其中存在轉(zhuǎn)鼓形式的基材夾具，和在真空腔的內(nèi)壁存在由層起始材料制成的靶，在此于磁控管上布置靶。
通過(guò)在其上存在基材的轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)使得基材被均勻涂敷。此形式的濺射也允許基材由多個(gè)層涂敷而不必從真空腔中取出，以及簡(jiǎn)單地影響層的厚度。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于特別采用光學(xué)層和層系統(tǒng)涂敷基材的已知的濺射工藝仍然總是出現(xiàn)以混濁和層表面的相對(duì)較大的粗糙度的形式存在的質(zhì)量缺陷，當(dāng)照亮涂敷的基材時(shí)，該層表面可一般被識(shí)別為具有擴(kuò)散的光散射的區(qū)域。除具有純裝飾效果以外，混濁也降低涂層的反射度和因此降低反射光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量。在濾光器光學(xué)系統(tǒng)的情況下，此混濁導(dǎo)致透射度的降低。在兩種情況下，除光散射的效果以外，增加的吸收也可引起產(chǎn)品質(zhì)量的降低。
因此，本發(fā)明是基于如下目的提供涂敷基材的方法，該方法可用于施加具有高光學(xué)質(zhì)量和/或高表面平滑度的層和層系統(tǒng)，和提供具有高光學(xué)質(zhì)量和/或高表面平滑度的涂敷的基材。
此目的非常令人驚奇地由權(quán)利要求1-10所述的方法和權(quán)利要求11-23所述的涂敷的基材達(dá)到。
因此，對(duì)基材涂敷至少一個(gè)功能層的方法包括如下步驟在真空系統(tǒng)中提供基材和在此真空系統(tǒng)中提供層起始材料，和通過(guò)層起始材料的濺射來(lái)涂敷基材，其中用于對(duì)基材涂敷功能層的濺射方法中斷至少一次，以施加與功能層相比非常薄的且與功能層不同的夾層，該夾層的厚度小于20nm。
這樣的方法稱(chēng)為濺射，即在該方法中，以固體形式作為靶存在的層起始材料曝露于離子的轟擊，從而使得能夠發(fā)射靶的原子、原子束或分子和因此能夠霧化層起始材料。
在本文中以下稱(chēng)作功能層的可以是具有光學(xué)活性的(即它們?cè)趯?duì)電磁光譜的一定區(qū)域中的輻射的作用方面具有功能)涂層的單層。在此情況下，涂層可以只由一個(gè)功能層組成，或者由多個(gè)功能層組成，例如由具有高折射率和低折射率的功能層組成的干涉層系統(tǒng)。
在此描述的對(duì)基材涂敷至少一個(gè)功能層的方法有利地既不影響已知裝置的構(gòu)造也不影響已知的濺射工藝本身，而是規(guī)定了用于功能層制備的新工藝過(guò)程，由此可以顯著改進(jìn)其質(zhì)量。這并不要求對(duì)本身已知的裝置進(jìn)行任何變化，而只是使用本身已知的措施根據(jù)本發(fā)明方法重新組織加工過(guò)程。該方法不限于特定的濺射裝置，而是可以推廣到允許層起始材料濺射的任何裝置形式。
由于可以達(dá)到比采用其它濺射工藝更高的濺射速率和因此存在經(jīng)濟(jì)益處，磁控濺射經(jīng)證明是特別有利的。
在有利的實(shí)施方案中，以一定的方式涂敷基材，從而使得通過(guò)在反應(yīng)性氣氛中的濺射，交替施加具有低折射率的功能層和具有高折射率的功能層。在此情況下，由于這些材料特別適用于光學(xué)干涉系統(tǒng)，具有低折射率的功能層優(yōu)選由SiO2組成和具有高折射率的功能層優(yōu)選由ZrO2組成。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果由ZrO2形成的具有高折射率的功能層用由SiO2形成的具有低折射率的非常薄的夾層間隔，可以得到具有顯著降低的混濁度的功能層。
依賴(lài)于功能層的厚度，這些夾層的厚度為0.1nm-20nm，優(yōu)選0.5nm-10nm，特別優(yōu)選1nm-3nm，并且是非光學(xué)活性的，即在任何情況下它們低于這樣的厚度在該厚度下它們對(duì)于所考慮的電磁光譜區(qū)域中的光譜曲線(xiàn)引起顯著的變化。
使用此方法制備的功能層顯得更明亮和更平滑，并增加了透射度和/或反射度。
根據(jù)本發(fā)明的方法也適用于對(duì)基材涂敷金屬層，特別是鉻構(gòu)成的功能層。在此情況下，金屬特別是鉻構(gòu)成的功能層的間隔通過(guò)引入富氧微波等離子體來(lái)實(shí)施，可以通過(guò)微波施加器產(chǎn)生該等離子體。在此情況下，短時(shí)間中斷濺射純金屬靶或Cr靶的過(guò)程并啟動(dòng)微波施加器，它導(dǎo)致將氧引入真空。此氧與已知施加到基材上的金屬層反應(yīng)，從而形成薄的金屬氧化物層，因此形成非常薄的夾層。然后繼續(xù)金屬或鉻靶的濺射。以此方式制備的層具有顯著更平滑的表面，它同樣導(dǎo)致更好的光學(xué)性能，以及有益于進(jìn)一步的加工。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)此方法導(dǎo)致使用此方法制備的鉻層表面的測(cè)量粗糙度僅為在拋光不銹鋼樣規(guī)情況下測(cè)量的粗糙度的大約一半，該拋光不銹鋼樣規(guī)是迄今為止優(yōu)選的制備高度拋光導(dǎo)電表面的方法。
可以任意次數(shù)地重復(fù)上述涂敷過(guò)程的每一個(gè)以獲得多個(gè)具有夾層的功能層，在此不是必須要求通過(guò)夾層來(lái)間隔每個(gè)功能層。
有利的是將基材安裝在位于真空腔中的轉(zhuǎn)鼓之上，并旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)具有層起始材料的靶和經(jīng)過(guò)氧源。由此保證均勻的涂敷。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然的是其它合適的設(shè)備同樣也可用于涂敷操作。
除根據(jù)本發(fā)明的方法以外，本發(fā)明也包括含有至少一個(gè)由金屬形成的功能層的涂敷的基材，其中功能層由夾層間隔至少一次，在此夾層由金屬氧化物組成且厚度小于10nm。
特別是對(duì)于其功能層是鉻層的基材，如果通過(guò)金屬氧化物組成的夾層，特別是通過(guò)氧化鉻層間隔功能層，那么證明這對(duì)于表面平滑度是有益的。
采用鉻如此涂敷的基材例如用作平版印刷工藝的基材。
另一種根據(jù)本發(fā)明的涂敷的基材被打算用作光學(xué)元件，例如，用于數(shù)字投影的濾色器。
基材的涂層在此情況下由下列部分組成，即至少一個(gè)金屬氧化物組成的功能層，和至少一個(gè)間隔功能層的金屬氧化物組成的夾層。在此情況下，夾層的厚度小于夾層具有光學(xué)活性時(shí)的厚度。
單個(gè)功能層優(yōu)選是具有低折射率的功能層和具有高折射率的功能層，其中功能層用至少一個(gè)由金屬氧化物組成的夾層間隔。在此情況下，將由SiO2形成的具有低折射率的夾層引入由ZrO2形成的具有高折射率的功能層。
由于以此方式配置的基材涂層具有上述的良好光學(xué)性能，因此它們用于許多領(lǐng)域。
采用此方式涂敷的基材不依賴(lài)于已知的濺射工藝，和也可以想得到使用其它工藝，例如使用CVD工藝來(lái)制備它們。
在此公開(kāi)的方法僅表示通過(guò)其可制備本發(fā)明的涂敷的基材的可能有利方法。
以下根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案和參考附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。在此圖中相同的參考符號(hào)表示相同或相似的部件。在附圖中

圖1圖示采用SiO2和/或ZrO2涂敷基材的磁控濺射設(shè)備。
圖2圖示采用Cr涂敷基材的磁控濺射設(shè)備。
圖3圖示通過(guò)根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的層系統(tǒng)的橫截面。
圖示不按比例；對(duì)于各個(gè)應(yīng)用情況原則上可以自由選擇層的厚度和層厚度相互之間的比例。
例示的實(shí)施方案圖1顯示圖解說(shuō)明的磁控濺射設(shè)備，該設(shè)備可用于對(duì)基材涂敷具有高和低折射率的功能層。
此類(lèi)型磁控濺射設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)從EP0516436B1中是已知的，因此在下文中不再詳細(xì)描述。
在真空腔(5)的內(nèi)部存在轉(zhuǎn)鼓(7)，將要涂敷的單個(gè)基材(1)固定到轉(zhuǎn)鼓上。另外，所示磁控濺射設(shè)備在該實(shí)施例中的環(huán)形內(nèi)壁(6)之上具有四個(gè)濺射電極單元(10a，11a)，以及泵(9)和兩個(gè)微波產(chǎn)生器(8)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)EP0516436B1中描述的裝置非常適合用于本發(fā)明的基材涂敷，但方法不限于此具體裝置，而是也可以在其它濺射裝置上進(jìn)行。
在制備具有金屬氧化物層的藍(lán)色濾色器的優(yōu)選實(shí)施方案中，在真空腔內(nèi)部的轉(zhuǎn)鼓(7)上放置多個(gè)基材(1)。
為了對(duì)基材(1)涂敷由具有高折射率的ZrO2和具有低折射率的SiO2組成的交替層系統(tǒng)，在該交替層系統(tǒng)中第一ZrO2層的厚度大約為93.3nm，通過(guò)Zr靶(10b)的濺射將Zr原子引入真空腔(5)，這些Zr原子與從微波產(chǎn)生器(8)放入的氧反應(yīng)性氣體反應(yīng)而形成ZrO2，并以14.1nm ZrO2/分鐘的涂敷速率在205s之后形成功能層的第一分層。在此之后，進(jìn)行Si靶(11b)的Si原子反應(yīng)性濺射4s的短時(shí)間。在首先施加的ZrO2功能層上，產(chǎn)生的SiO2以25.7nm SiO2/分鐘的涂敷速率沉積為夾層。
在此情況下，對(duì)于施加SiO2組成的夾層，只是4s的短涂敷持續(xù)時(shí)間導(dǎo)致1.7nm的夾層計(jì)算厚度。
然后，再次在反應(yīng)性氣氛中從Zr靶(10b)濺射Zr以制備仍然還不存在的第一功能層的第二個(gè)半部分。
在下一步驟中，施加另一個(gè)具有低折射率的功能層。此層由氧化硅組成，采用25.7nm SiO2/分鐘的涂敷速率，從Si靶(11b)作為Si原子反應(yīng)性地濺射入真空腔(5)中。此SiO2同樣沉積在先前施加的層上。在此步驟中，涂敷操作的持續(xù)時(shí)間也依賴(lài)于要涂敷的層的厚度。
顯然的是，如果需要，由SiO2形成的功能層也可以用非常薄的ZrO2夾層分隔。
依賴(lài)于應(yīng)用情況，可能必需施加多個(gè)交替層系統(tǒng)以達(dá)到交替層系統(tǒng)，如藍(lán)色濾色器的預(yù)期的光學(xué)效果。采用此方式在這樣的交替層系統(tǒng)中分隔多個(gè)層是十分顯而易見(jiàn)的。
圖2顯示另一個(gè)磁控濺射裝置的實(shí)施方案，該裝置用于根據(jù)本發(fā)明在用于平版印刷工藝的基材上制備鉻層。它在結(jié)構(gòu)上相應(yīng)于圖1中顯示的磁控濺射裝置，但僅含有兩個(gè)濺射電極單元(12a)。
在真空腔(5)內(nèi)部的轉(zhuǎn)鼓(7)上提供基材(1)。為向基材(1)施加鉻組成的第一功能層，通過(guò)Cr靶(12b)的金屬濺射將Cr原子引入真空腔(5)中。
在此，關(guān)鍵的是在真空腔(5)中不存在氧或不引入氧。進(jìn)行濺射工藝直到達(dá)到所需的鉻層厚度，在此情況下為30nm。然后，關(guān)閉濺射電極單元(12a)和短時(shí)間啟動(dòng)微波產(chǎn)生器(8)，由此在真空腔(5)中形成氧等離子體，它氧化新濺射的金屬鉻表面。形成的氧化物層厚度是如此薄，從而使得它對(duì)鏡面層的光譜性能，特別是反射性能不具有影響。
在此操作之后，關(guān)閉微波產(chǎn)生器(8)和再次激活濺射電極單元(12a)，從而通過(guò)Cr靶(12b)的金屬濺射施加另一個(gè)大約30nm的鉻層。重復(fù)此過(guò)程直到達(dá)到270nm的所需總厚度。
圖3圖示根據(jù)上述方法涂敷有功能層(2)的基材。在此情況下，將功能層(3)的第一個(gè)半部分施加到基材(1)上，隨后由夾層(4)間隔，并在其上施加功能層(3)的第二個(gè)半部分。依賴(lài)于應(yīng)用情況和光學(xué)設(shè)計(jì)的預(yù)先規(guī)定，相互疊加地施加多個(gè)如此分隔的功能層(2)，包括不同的功能層，是相當(dāng)顯而易見(jiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種采用至少一個(gè)功能層(2)涂敷基材(1)的方法，包括如下步驟a)在真空系統(tǒng)(5)中提供基材(1)和層起始材料，和b)通過(guò)層起始材料的濺射對(duì)基材(1)涂敷功能層(2)，其特征在于，b1)中斷用于對(duì)基材(1)涂敷功能層(2)的層起始材料的濺射至少一次并制備夾層(4)，它不同于功能層且厚度為≤20nm，b2)在中斷之后繼續(xù)層起始材料的濺射。
2.權(quán)利要求1的涂敷基材(1)的方法，其特征在于，通過(guò)層起始材料的磁控濺射實(shí)現(xiàn)對(duì)基材(1)涂敷功能層(2)。
3.權(quán)利要求2的涂敷基材(1)的方法，其特征在于，通過(guò)如在EP0516436B1中所述的磁控濺射工藝施加功能層。
4.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的涂敷基材(1)的方法，其特征在于施加多個(gè)功能層(2)，特別地作為由具有低折射率的功能層(2)和具有高折射率的功能層(2)組成的交替層系統(tǒng)。
5.權(quán)利要求4的涂敷基材(1)的方法，其特征在于，具有低折射率的功能層(2)由濺射具有高折射率的夾層(4)間隔和/或具有高折射率的功能層(2)由濺射具有低折射率的夾層(4)間隔，其中夾層保持在它們變成具有光學(xué)活性的厚度以下，優(yōu)選≤10nm。
6.權(quán)利要求5的涂敷基材(1)的方法，其特征在于，通過(guò)在反應(yīng)性氣氛中濺射硅，具有低折射率的功能層(2)和具有低折射率的夾層(4)由SiO2組成，和通過(guò)在反應(yīng)性氣氛中濺射鋯，具有高折射率的功能層(2)和具有高折射率的夾層(4)由ZrO2組成。
7.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的涂敷基材(1)的方法，其特征在于，通過(guò)濺射金屬施加純金屬層作為功能層(2)。
8.權(quán)利要求7的涂敷基材(1)的方法，其特征在于，通過(guò)向真空腔中引入富氧微波等離子體而中斷功能層(2)的濺射，其中通過(guò)先前生長(zhǎng)成的由金屬組成的功能層(2)的表面氧化而形成由金屬氧化物組成的夾層(4)。
9.權(quán)利要求8的對(duì)基材(1)涂敷功能層(2)的方法，其特征在于，通過(guò)濺射鉻施加功能層(2)。
10.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的涂敷基材(1)的方法，其特征在于，在位于真空腔內(nèi)部的轉(zhuǎn)鼓(7)上，基材(1)旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)包括層起始材料的靶(10，11，12)和氧源(8)。
11.一種含有至少一個(gè)由金屬形成的功能層(2)的涂敷的基材(1)，其特征在于，功能層(2)含有至少一個(gè)由金屬氧化物形成的夾層(4)，該夾層(4)間隔功能層(2)且厚度是≤10nm。
12.權(quán)利要求11的涂敷的基材(1)，其特征在于，功能層(2)是鉻層。
13.權(quán)利要求11-12中任一項(xiàng)的涂敷的基材(1)，其特征在于，由金屬氧化物形成的間隔性?shī)A層(4)是氧化鉻層。
14.權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)的涂敷的基材(1)，其特征在于，它可以由權(quán)利要求7-10的方法制備。
15.權(quán)利要求11-14中任一項(xiàng)的涂敷的基材，其特征在于，它用作平版印刷工藝的基材。
16.一種含有至少一個(gè)由金屬氧化物形成的功能層(2)的涂敷的基材(1)，其特征在于，功能層(2)含有至少一個(gè)由金屬氧化物形成的夾層(4)，該夾層(4)間隔功能層(2)且保持在它具有光學(xué)活性的厚度以下。
17.權(quán)利要求16的涂敷的基材(1)，其特征在于，它包括由具有高折射率的功能層和具有低折射率的功能層組成的交替層系統(tǒng)。
18.權(quán)利要求17的涂敷的基材(1)，其特征在于，具有低折射率的功能層(2)由SiO2組成和具有高折射率的功能層(2)由ZrO2組成。
19.權(quán)利要求18的涂敷的基材(1)，其特征在于，在由ZrO2形成的具有高折射率的功能層(2)中由金屬氧化物形成的間隔性?shī)A層(4)是由SiO2形成的具有低折射率的夾層(4)，和在由SiO2形成的具有低折射率的功能層(2)中由金屬氧化物形成的間隔性?shī)A層(4)是由ZrO2形成的具有高折射率的夾層(4)。
20.權(quán)利要求16-19中任一項(xiàng)的涂敷的基材(1)，其特征在于，它可以由權(quán)利要求4-6的方法制備。
21.權(quán)利要求16-20中任一項(xiàng)的涂敷的基材，其特征在于，它用作光學(xué)元件。
22.權(quán)利要求21的涂敷的基材，其特征在于，它用作濾色器。
23.權(quán)利要求11-22中任一項(xiàng)的涂敷的基材，其特征在于，功能層是光學(xué)功能層。
全文摘要
為制備具有功能層的基材，該基材具有高的光學(xué)性能和/或高的表面平滑度，特別是低的濁度和顯著更低的粗糙度，本發(fā)明提供對(duì)基材涂敷至少一個(gè)功能層的濺射方法，其中涂敷功能層的濺射方法被中斷至少一次并施加厚度小于20nm的夾層，本發(fā)明還涉及由該方法制備的涂敷的基材。
文檔編號(hào)G02B1/10GK1681745SQ03821784
公開(kāi)日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2003年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月14日
發(fā)明者C·默勒, L·貝維格, F·科佩, T·屈佩爾, S·蓋斯勒, S·鮑爾 申請(qǐng)人:肖特股份公司