DE10012516C1 - Component with a transparent scratch-resistant protective gradient layer consisting of silicon, oxygen, hydrocarbon residues and a metal whose oxides absorb UV light - Google Patents
Component with a transparent scratch-resistant protective gradient layer consisting of silicon, oxygen, hydrocarbon residues and a metal whose oxides absorb UV lightInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer transparenten, kratzfesten und für UV-Strahlung undurchlässigen Schutzschicht, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a component with a transparent, scratch-resistant and for UV radiation impermeable protective layer, and a method for its production.
Der Einsatz von Bauteilen mit empfindlichen Oberflächen ist durch die extrem leichte Kratzbarkeit und mangelnde Chemikalienresistenz insbesondere gegenüber organischen Lösemitteln stark eingeschränkt. Durch das Aufbringen einer kratzfesten Schutzschicht kann dieser Nachteil ausgeglichen werden. Bei für UV-Strahlung durchlässigen Schutzschichten kann durch die UV-Strahlung induziert jedoch eine Degradation der Grenzfläche und damit einhergehend eine Schichtablösung stattfinden. Aus diesem Grund sollte die Schutzschicht gute tribologische Eigenschaften aufweisen und auch für UV- Strahlung undurchlässig sein.The use of components with sensitive surfaces is extremely light Scratchability and lack of chemical resistance, especially against organic ones Solvents severely restricted. By applying a scratch-resistant protective layer this disadvantage can be compensated. When permeable to UV radiation Protective layers can, however, induce a degradation of the UV radiation Interface and with it a layer separation. For this reason the protective layer should have good tribological properties and also for UV Radiation-impermeable.
Aus US 5,156,882 ist ein Kunststoffbauteil mit einem 3-Schichtsystem als Schutzschicht bekannt. Hierbei befindet sich auf dem Kunststoffsubstrat eine harzhaltige Grundschicht, über der eine Oxidschicht aufgebracht ist, welche UV-Strahlung absorbiert. Auf diesen beiden Schichten ist abschließend eine kratzfeste Schicht aufgetragen.From US 5,156,882 is a plastic component with a 3-layer system as a protective layer known. There is a resinous base layer on the plastic substrate, Over which an oxide layer is applied, which absorbs UV radiation. On this Finally, a scratch-resistant layer is applied to both layers.
Nachteilig wirkt sich bei einem derartigen Schichtsystem aus, dass die mehrfachen Unterbrechungen im Beschichtungsprozess eine Prozessunsicherheit an den Schichtübergängen darstellen, die Haftungsprobleme zur Folge haben. Bei Verwendung einer reinen Oxidschicht zur Absorption der UV-Strahlung ist es aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten notwendig, zwischen Kunststoff und Oxidschicht eine weiche Zwischenschicht aufzubringen, die diese Unterschiede kompensiert.The disadvantage of such a layer system is that the multiple ones Interruptions in the coating process a process uncertainty to the Represent shift transitions that result in liability problems. Using a pure oxide layer for the absorption of UV radiation, it is due to the different coefficients of thermal expansion necessary between plastic and Oxide layer to apply a soft intermediate layer that makes these differences compensated.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauteil mit einer transparenten, kratzfesten und für UV-Strahlung undurchlässigen Schutzschicht anzugeben, bei dem die Schutzschicht weder ein Ablösen von dem Kunststoffsubstrat noch eine Delamination einzelner Teilbereiche der Schicht zeigt. The object of the present invention is to provide a component with a transparent, scratch-resistant and to provide a protective layer impermeable to UV radiation, in which the Protective layer neither detachment from the plastic substrate nor delamination shows individual sections of the layer.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Kunststoffbauteil mit Schutzschicht der Eingangs beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht eine Gradientenschicht ist, bestehend aus Silizium, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffresten und einem Metall, ausgewählt aus einer Gruppe, deren Oxide UV-Strahlung absorbieren, wobei der Silizium- und Sauerstoffgehalt nach außen hin zunimmt und der Metallgehalt in der Schicht ein Maximum aufweist und nach außen und bauteilseitig abfällt.To solve the problem, a plastic component with a protective layer is the entrance described type characterized in that the protective layer a Gradient layer is composed of silicon, oxygen, and hydrocarbon residues a metal selected from a group whose oxides absorb UV radiation, wherein the silicon and oxygen content increases towards the outside and the metal content in the Layer has a maximum and falls outwards and on the component side.
In der erfindungsgemäßen Schutzschicht des Bauteils steigt sowohl der Silizium- als auch der Sauerstoffgehalt vom Bauteil zur Oberfläche an. Lokale Extremwerte beider Elemente in der Schicht sind ohne Einfluss auf die Eigenschaften, doch erfordern sie eine erhöhte Komplexierung des Herstellprozesses. Im Gegensatz hierzu bildet der Metallgehalt in der Schicht ein Maximum aus. Das Maximum liegt dabei also weder an der Grenzfläche zum Substrat noch an der Oberfläche der Schicht. Innerhalb dieser Grenzen hat die Lage des Maximums keinen Einfluss auf die Schichteigenschaften. Durch die Sauerstoff-Affinität der Metalle und durch den nach außen hin ansteigenden Sauerstoffgehalt liegt das Metall in der Schicht zu einem überwiegenden Anteil in oxidischer Form vor. Die Form der oxidischen Verbindung und somit die Oxidationszahl des Metalls hängt dabei von den Prozeßparametern und vom Metall ab. Der Gehalt an Kohlenwasserstoffresten in der Schicht variiert mit den Schwankungen der anderen Bestandteile der Schicht.In the protective layer of the component according to the invention, both the silicon and the oxygen content from the component to the surface. Local extreme values of both elements in the layer have no influence on the properties, but they require an increased Complexation of the manufacturing process. In contrast, the metal content in the Layer out a maximum. The maximum is neither at the interface with the Substrate still on the surface of the layer. Within these limits, the location of the Maximum no influence on the layer properties. Due to the oxygen affinity of the Metals and due to the increasing oxygen content towards the outside, the metal lies in the layer predominantly in oxidic form. The shape of the oxidic compound and thus the oxidation number of the metal depends on the Process parameters and from the metal. The content of hydrocarbon residues in the Layer varies with the fluctuations of the other components of the layer.
Durch die Reduktion der Schichtenanzahl auf nur eine Schicht ist die Problematik der Schichtablösung von Zwischenschichten eines Systemes mit mehreren Schichten eliminiert. Durch die fließenden Übergänge in der Schichtzusammensetzung des erfindungsgemäßen Bauteiles ist es auch nicht mehr unbedingt notwendig eine Haftvermittlungsschicht aufzubringen, da es keine harten Übergänge von Bereichen mit stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gibt.By reducing the number of layers to just one layer, the problem is Layer separation of intermediate layers of a system with several layers eliminated. Due to the smooth transitions in the layer composition of the Component according to the invention, it is also no longer absolutely necessary Apply adhesion promoting layer since there are no hard transitions from areas there are very different coefficients of thermal expansion.
Die Auswahl des Materials des Bauteils hat keinen Einfluss auf die Eigenschaften der Schicht. Ebenso werden die Haftungseigenschaften der Schutzschicht durch das Material des Bauteils nicht merklich beeinflusst. Besonders gute Eigenschaften des Bauteils mit Schutzschicht im Hinblick auf Haftungseigenschaften, UV-Beständigkeit und Kratzfestigkeit ergeben sich aber, wenn das Bauteil entweder aus Polycarbonat (PC) oder aus Polymethylmethacrylat (PMMA) ist. Die Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Frequenzbereich sind bei diesen Materialien sehr hoch, weswegen sie im Fahrzeugbau ein verbreitetes Anwendungsspektrum besitzen. So werden verschiedenste transparente Bauteile im Automobilbau wie z. B. Scheiben oder Scheinwerferabdeckungen aus diesem Material gefertigt. Die erfindungsgemäße transparente Schutzschicht übt hier keine negativen Effekte bezüglich der Durchlässigkeit aus.The selection of the material of the component has no influence on the properties of the Layer. Likewise, the adhesive properties of the protective layer through the material of the component is not noticeably influenced. Particularly good properties of the component with Protective layer with regard to adhesion properties, UV resistance and However, scratch resistance results if the component is either made of polycarbonate (PC) or made of polymethyl methacrylate (PMMA). The transmission properties for Electromagnetic radiation in the visible frequency range is with these materials very high, which is why they have a wide range of applications in vehicle construction. A wide variety of transparent components in automotive engineering such as B. slices or Headlight covers made from this material. The invention transparent protective layer has no negative effects on permeability out.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauteil lackiert, so dass die transparente, kratzfeste Schutzschicht den auf die Bauteiloberfläche aufgebrachten Lack vor dem Verkratzen schützt. Ein derartiges System könnte in der Automobilindustrie den Klarlack, der zum Schutz der darunterliegenden Lackschichten aufgebracht ist, ersetzen, da ein Verkratzen nicht mehr so leicht möglich ist.In another advantageous embodiment, the component is painted so that the transparent, scratch-resistant protective layer the varnish applied to the component surface protects against scratching. Such a system could be used in the automotive industry Replace the clear coat applied to protect the underlying paint layers, because scratching is no longer possible.
Bevorzugt ist das Metall in der Schutzschicht aus der Gruppe Titan, Cer, Eisen, Zink, Vanadium, Yttrium Indium, Zinn und Zirkonium ausgewählt. Die Oxide dieser Metalle eignen sich bevorzugt zur Absorption von UV-Strahlung, wobei die Transmission von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Frequenzbereich sehr hoch ist, solange die Dicken derartiger Schichten nicht zu groß werden. Natürlich sind auch Metalle einsetzbar, die nicht in der oben genannten Gruppe erwähnt werden, weil deren Eigenschaften zur Absorption nicht so ausgeprägt sind. Genauso ist es möglich, dass sich der Metallgehalt in der Schicht aus zwei oder mehreren Metallen zusammensetzt, wenn es besondere Umstände erfordern.The metal in the protective layer is preferably selected from the group consisting of titanium, cerium, iron, zinc, Vanadium, yttrium indium, tin and zirconium selected. The oxides of these metals are preferably suitable for the absorption of UV radiation, the transmission of electromagnetic radiation in the visible frequency range is very high as long as the Thicknesses of such layers do not become too large. Of course, metals can also be used, that are not mentioned in the above group because of their properties for Absorption are not so pronounced. It is also possible that the metal content in the layer is composed of two or more metals if it is special Circumstances require.
Erfindungsgemäß liegt das Maximum des Metall- bzw. des Metalloxidgehaltes innerhalb der Schutzschicht und fällt sowohl bauteilseitig als auch zur Oberfläche hin ab. Bevorzugt fällt der Metallgehalt und somit auch der Metalloxid an der Oberfläche der Schutzschicht auf Null ab, so dass der der Umgebung ausgesetzte Bereich der Schutzschicht metallfrei ist und aus Silizium, Sauerstoff und Kohlenwasserstoffresten besteht. Hierdurch kann die Härte der Schicht an der Oberfläche gegenüber einer metallhaltigen Oberfläche weitergesteigert werden. According to the invention, the maximum of the metal or metal oxide content is within the protective layer and falls off both on the component side and towards the surface. Prefers the metal content and thus also the metal oxide on the surface of the protective layer falls to zero so that the area of the protective layer exposed to the environment is metal-free is and consists of silicon, oxygen and hydrocarbon residues. This allows the Hardness of the layer on the surface compared to a metal-containing surface be further increased.
Die Haftungseigenschaften der erfindungsgemäßen Schutzschicht auf dem Kunststoffbau teil kann bevorzugt dadurch gesteigert werden, dass ein bauteilnaher Grenzbereich der Schicht derart modifiziert ist, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schicht in die sem Bereich an denjenigen des Materials des Bauteils oder der Bauteiloberfläche weiter angeglichen werden. Dies geschieht vorteilhafterweise dadurch, dass der Grenzbereich der Schicht zum Bauteil einen überwiegenden Gehalt an einer Verbindung eines Siliziumoxids mit Kohlenwasserstoffgruppen der Form SiOxCyHz aufweist. Durch eine derartige Modifikation können die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grenzbereiches der Schicht und des Materials des Bauteils weitestgehend angenähert werden, so dass die Schicht bei starken Temperaturschwankungen noch bessere Haftungseigenschaften aufweist und ein Abplatzen der Schicht über einen sehr großen Temperaturbereich verhindert wird.The adhesion properties of the protective layer according to the invention on the plastic construction part can preferably be increased by modifying a boundary region of the layer near the component in such a way that the thermal expansion coefficients of the layer in this area are further matched to those of the material of the component or the component surface. This advantageously takes place in that the boundary region of the layer with the component has a predominant content of a compound of a silicon oxide with hydrocarbon groups of the form SiO x C y H z . Such a modification allows the coefficients of thermal expansion of the boundary region of the layer and the material of the component to be approximated as far as possible, so that the layer exhibits even better adhesion properties in the event of strong temperature fluctuations and the layer is prevented from flaking off over a very large temperature range.
Die Dicke der Schutzschicht ist zu großen Werten hin nicht reglementiert, jedoch werden mit zunehmender Dicke die Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich immer geringer, so dass die bevorzugte Dicke der Schicht zwischen 1 und 15 µm, insbesondere bevorzugt zwischen 5 und 6 µm liegt. Bei Schichten mit diesen Dicken ist die Transparenz für sichtbares Licht nicht beeinträchtigt, die Schicht besitzt aber schon bei diesen Dicken gute Absorptionseigenschaften für UV-Strahlung und gute Kratzeigenschaften.The thickness of the protective layer is not regulated to large values, but it is with increasing thickness, the transmission properties for electromagnetic radiation in the visible range getting lower, so that the preferred thickness of the layer between 1 and 15 microns, particularly preferably between 5 and 6 microns. In layers with these Thickness does not affect the transparency for visible light that the layer has but already at these thicknesses good absorption properties for UV radiation and good ones Scratch properties.
Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer transparenten, kratzfesten und für UV-Strahlung undurchlässigen Schutzschicht.The invention further relates to a method for producing a component a transparent, scratch-resistant protective layer that is impermeable to UV radiation.
Aus US 5,156,882 ist ein Verfahren zur Beschichtung von Kunststoffen mit einer kratzfesten, für UV-Strahlung undurchlässigen Schutzschicht bekannt, bei der über Plasmapolymerisation von Precursor-Materialien in drei Einzelschritten zuerst eine Haftvermittlungsschicht, dann eine Oxidschicht zur UV-Absorption und letztendlich eine kratzfeste Deckschicht aufgebracht wird. Der Begriff Precursor wird im folgenden im Sinne einer Vorläuferverbindung zur Schichtherstellung verstanden.From US 5,156,882 is a method for coating plastics with a scratch-resistant, UV-impermeable protective layer known for over Plasma polymerization of precursor materials in three individual steps, first one Bonding layer, then an oxide layer for UV absorption and finally one scratch-resistant top layer is applied. The term precursor is used in the following understood a precursor compound for layer production.
Die mehrfache Prozessunterbrechung bedingt eine schlechte Haftung der einzelnen mit stark unterschiedlichen Eigenschaften behafteten Einzelschichten untereinander und eine dadurch hervorgerufene Delamination. Außerdem kann die mehrmalige Unterbrechung des Beschichtungsprozesses zur Folge haben, dass in verschiedenen Beschichtungskammern gearbeitet werden muss, wodurch die Haftungseigenschaften weiter verschlechtert werden.The multiple process interruption causes bad liability for the individual individual layers with very different properties and one another delamination caused thereby. In addition, the repeated interruption of the Coating process result in different coating chambers must be worked, which further deteriorates the adhesion properties become.
Aus der DE 44 45 427 C2 ist ein Plasma CVD-Verfahren zur Herstellung einer Gradienten schicht bekannt, bei welchem der Schichtgradient in Schichtwachstumsrichtung durch Änderung von Plasmaleistungsparametern während des Beschichtungsprozesses erzeugt wird, indem die Plasmaleistung gepulst zugeführt wird und der Schichtgradient durch Änderung der Plasmaleistungsparameter eingestellt wird.DE 44 45 427 C2 describes a plasma CVD process for producing a gradient layer known, in which the layer gradient in the layer growth direction Change in plasma power parameters generated during the coating process is supplied by pulsing the plasma power and the layer gradient through Change in plasma performance parameters is set.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll somit weiterhin sein, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer transparenten, kratzfesten und für UV-Strahlung undurchlässigen Gradientenschicht über Abscheidung durch Plasmapolymerisation in einer Beschichtungskammer anzugeben, welches mit einem geringen verfahrenstechnischen Aufwand die Haftungsproblematik eliminiert.The object of the present invention should therefore also be a process for the production of a component with a transparent, scratch-resistant and impervious to UV radiation Gradient layer over deposition by plasma polymerization in one Specify coating chamber, which with a low procedural Effort eliminates the liability problem.
Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß über ein Verfahren durch Abscheidung
über Plasmapolymerisation in einer Beschichtungskammer erzielt, welches folgende
Schritte umfasst:
The object is achieved according to the invention by a method by deposition via plasma polymerization in a coating chamber, which comprises the following steps:
- - Steigerung des Sauerstoffanteils im oder als Trägergas mit zunehmender Schichtdicke.- Increasing the proportion of oxygen in or as a carrier gas with increasing layer thickness.
- - Konstanthaltung des Anteils eines ersten Precursors, der Silizium und Kohlenwasserstoffgruppen enthält.- Keeping the proportion of a first precursor, the silicon and Contains hydrocarbon groups.
- - Schichtdickenabhängige Steigerung der Verdampfung eines zweiten Precursors, der ein Metall enthält, welches in seiner Oxidverbindung UV-Strahlung absorbiert.- Increasing the evaporation of a second precursor depending on the layer thickness contains a metal that absorbs UV radiation in its oxide compound.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass durch die Durchführung der gesamten Beschichtung in einem Prozess die Prozesssicherheit mit geringem verfahrenstechnischen Aufwand erhöht wird und die Haftungsproblematik eliminiert werden kann. Außerdem ergeben sich bei der Durchführung nur eines Gradientenprozesses wesentlich geringere Prozesskosten, als es bei Mehrfachschichten der Fall ist. Hinzu kommt, dass der Automatisierungsgrad des Prozesses durch das erfindungsgemäße Verfahren gesteigert wird.The advantage of this procedure is that by performing the whole Coating in one process ensures process reliability with low process engineering Effort is increased and the liability problem can be eliminated. Moreover there are significantly fewer results when only one gradient process is carried out Process costs than is the case with multiple shifts. In addition, the Degree of automation of the process increased by the inventive method becomes.
Als Prozess für die Plasmapolymerisation wird vorzugsweise das "Plasma enhanced CVD" oder das "Plasma activated CVD" verwendet. Diese Prozesse weisen gegenüber den meisten anderen Vakuumbeschichtungsverfahren wirtschaftliche Vorteile auf, da im Feinvakuumbereich abgeschieden wird, wohingegen die anderen Vakuumbeschichtungstechniken Hochvakuum benötigen. Hinzu kommt, dass mit diesen Prozessen die Schichtzusammensetzung und die Schichteigenschaften einfach modifiziert und verändert werden können.The "plasma enhanced CVD" is preferably used as the process for the plasma polymerization. or the "Plasma activated CVD" is used. These processes point towards the most other vacuum coating processes have economic advantages because in Fine vacuum area is deposited, whereas the others Vacuum coating techniques require high vacuum. Add to that with these Processes simply modified the layer composition and layer properties and can be changed.
Die Haftungseigenschaften der Schutzschicht auf dem Bauteil können gesteigert werden, indem im bauteilnahen Bereich der Schutzschicht Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und geringe Beimengungen an Tetraisopropylorthotitanat (TIPOT) verdampft bzw. in die Gasphase überführt und abgeschieden werden und ein geringer Anteil an Sauerstoff im Trägergas eingebracht wird. Hierdurch wird in der Schicht eine Verbindung eines Siliziumoxids mit Kohlenwasserstoffresten der Form SiOxCyHz gebildet, was dazu führt, dass dieser Bereich der Schicht einen an das Material des Bauteils angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Durch die Variation der Anteile an HMDSO, TIPOT und Sauerstoff lässt sich die Schicht so an die verschiedenen Materialien oder Oberflächen des Bauteils anpassen, womit ein Abplatzen der Schicht über einen weiten Temperaturbereich unterbunden werden kann.The adhesive properties of the protective layer on the component can be increased by evaporating hexamethyldisiloxane (HMDSO) and small additions of tetraisopropyl orthotitanate (TIPOT) in the area of the protective layer near the component or by converting it into the gas phase and separating it and introducing a small amount of oxygen into the carrier gas. As a result, a connection of a silicon oxide with hydrocarbon residues of the form SiO x C y H z is formed in the layer, which means that this region of the layer has a coefficient of thermal expansion which is matched to the material of the component. By varying the proportions of HMDSO, TIPOT and oxygen, the layer can be adapted to the different materials or surfaces of the component, which can prevent the layer from flaking over a wide temperature range.
Die Menge des pro Zeiteinheit verdampften bzw. in die Gasphase überführten und in die Beschichtungskammer eingeleiteten Precursors ist abhängig von der Menge an in die Schicht einzubringenden Bestandteilen und von der Größe der Beschichtungskammer, so dass die verdampften Precursormengen zum einen über den Beschichtungsprozess variieren und an die Kammervolumina angepasst werden müssen. Vorteilhafterweise variiert die Menge an verdampftem ersten Precursor in einem Bereich bis zu 1 ml pro Minute und Kubikmeter Kammervolumen. Die Menge des zweiten Precursors liegt in einem Bereich von bis zu 0,2 ml pro Minute und Kubikmeter Kammervolumen.The amount of vaporized or converted into the gas phase per unit of time and into the Coating chamber introduced precursors depends on the amount of in the Layer to be introduced components and the size of the coating chamber, so that the vaporized precursor quantities are on the one hand via the coating process vary and must be adapted to the chamber volumes. Advantageously the amount of evaporated first precursor varies in a range up to 1 ml per Minute and cubic meter chamber volume. The amount of the second precursor is in a range of up to 0.2 ml per minute and cubic meter chamber volume.
Auch bei den gasförmigen Edukten sind die in die Beschichtungskammer eingebrachten Mengen von der Größe der Kammer und dem Fortgang des Beschichtungsprozesses abhängig. Die Menge an Sauerstoff steigt vorteilhafterweise mit zunehmender Beschich tungsdicke von 0 bis 400 Standardkubikzentimeter (sccm) pro Minute und pro Kubikmeter Volumen der Beschichtungskammer. Die eingeleitete Menge an Trägergas, welches aus Stickstoff oder vorzugsweise auch aus Argon besteht, variiert in einem Bereich bis zu 300 Standardkubikzentimeter (sccm) pro Minute und pro Kubikmeter Kammervolumen.The gaseous starting materials are also introduced into the coating chamber Amounts based on the size of the chamber and the progress of the coating process dependent. The amount of oxygen advantageously increases with increasing coating thickness from 0 to 400 standard cubic centimeters (sccm) per minute and per cubic meter Volume of the coating chamber. The amount of carrier gas introduced, which consists of Nitrogen, or preferably also argon, varies in a range up to 300 Standard cubic centimeters (sccm) per minute and per cubic meter of chamber volume.
Als erster Precursor können Varianten eingesetzt werden, die neben dem Silizium auch Kohlenwasserstoffreste und Teile des Sauerstoffs liefern, bevorzugt wird aber Hexamethyldisiloxan (HMDSO) eingesetzt, da dieser Precursor die besten Schichteigenschaften bewirkt. Für den zweiten Precursor gilt entsprechendes, nur dass dieser das Metall in die Schutzschicht einbringt, welches in seiner oxidischen Form UV- Strahlung absorbiert. Aus diesem Grund muss der zweite Precursor ein derartiges Metall enthalten. Da es eine Vielzahl dieser Metalle gibt, ist die Wahl des zweiten Precursors frei auf derartige Precursor gerichtet, die solche Metalle enthalten, vorteilhafterweise wird aber Tetraisopropylorthotitanat (TIPOT) verwendet, bei dem Titan als Titanoxid in die Schutzschicht eingebaut wird.Variants can be used as the first precursor, as well as silicon Supply hydrocarbon residues and parts of oxygen, but is preferred Hexamethyldisiloxane (HMDSO) is used because this precursor is the best Layer properties causes. The same applies to the second precursor, only that This brings the metal into the protective layer, which in its oxidic form UV Absorbs radiation. For this reason, the second precursor must have such a metal contain. Since there are a large number of these metals, the choice of the second precursor is free directed to such precursors containing such metals, is advantageous but tetraisopropyl orthotitanate (TIPOT) uses titanium as the titanium oxide in the Protective layer is installed.
Die Plasmaanregung wird vorteilhafterweise über Mikrowelleneinstrahlung oder Hochfrequenzeinkoppelung mit einer Frequenz von bis zu 2,45 GHz durchgeführt. Die besten Ergebnisse zeigen sich mit einer Anregungsfrequenz von 100 kHz bis 27,12 MHz. Es können jedoch auch Umstände vorliegen, die es sowohl bei der Wahl des Anregungsmittels als auch bei der Anregungsfrequenz notwendig machen, Alternativen einzusetzen. Der Druck in der Beschichtungskammer liegt während des Beschichtungsprozesses vorteilhafterweise zwischen 10-4 und 10 mbar, besonders vorteilhafterweise bei 2 . 10-2 mbar.The plasma excitation is advantageously carried out via microwave radiation or high-frequency coupling at a frequency of up to 2.45 GHz. The best results are shown with an excitation frequency of 100 kHz to 27.12 MHz. However, there may also be circumstances that make it necessary to use alternatives both in the selection of the excitation means and in the excitation frequency. The pressure in the coating chamber during the coating process is advantageously between 10 -4 and 10 mbar, particularly advantageously 2. 10 -2 mbar.
Die Leistung, die bei der Plasmaanregung, bezogen auf die Elektrodenfläche, eingebracht wird, beträgt vorteilhafterweise 0 bis 300 mW/cm2, insbesondere bevorzugt 150 mW/cm2.The power which is introduced during the plasma excitation, based on the electrode area, is advantageously 0 to 300 mW / cm 2 , particularly preferably 150 mW / cm 2 .
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher beschrieben, aus der sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.The invention is illustrated below with reference to a drawing Embodiment described in more detail, from which further details, features and Advantages.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Plasmapolymerisationsanlage 10 mit dem darin angeordneten und zu beschichtenden Bauteil 30. Fig. 1 is a schematic representation showing the Plasmapolymerisationsanlage 10 having disposed therein and to be coated component 30.
In der Beschichtungskammer 20 befindet sich ein Bauteil 30 auf einem Substrathalter 21. Die Beschichtungskammer 20 wird über den Vakuumpumpstand 50 auf den Betriebsdruck von 2 . 10-2 mbar evakuiert. Die Plasmaanregung geschieht durch Hochfrequenz mit einer Frequenz von 27,12 MHz über die Hochfrequenzzuführung 40. Die Leistung der eingekoppelten Energie beträgt hierbei 150 mW/cm2 bezogen auf die Fläche der Elektrode. Vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess wird eine Oberflächenreinigung und Aktivierung mittels Argon durchgeführt, welches über die Zuleitung 65 in die Kammer eingeleitet und mittels des Ventils 65a geregelt wird.A component 30 is located in the coating chamber 20 on a substrate holder 21 . The coating chamber 20 is brought to the operating pressure of 2 via the vacuum pumping station 50 . 10 -2 mbar evacuated. The plasma is excited by radio frequency at a frequency of 27.12 MHz via the radio frequency feed 40 . The power of the injected energy is 150 mW / cm 2 based on the area of the electrode. Before the actual coating process, surface cleaning and activation is carried out using argon, which is introduced into the chamber via the feed line 65 and regulated by means of the valve 65 a.
Nach dieser Reinigung werden die für die Schicht benötigten Edukte über eine Gaszuleitungsvorrichtung 60 in die Beschichtungskammer 20 geleitet. Dabei befindet sich als erster Precursor 61a Hexamethyldisiloxan (HMDSO) in einem Behälter 61, der über eine Zuleitung 64 mit Helium beaufschlagt und mit einem Ventil 64a geregelt wird. Mit einem Heliumdruck von ca. 0,5 bar welche auf die HMDSO-Oberfläche wirkt, wird HMDSO als Flüssigkeit in eine Leitung gedrückt in welcher sich ein Flüssigkeitsdosiersystem 61b befindet. Nach dem Dosiersystem ist die Leitung mittels einer Heizung 66 geheizt, was die Überführung des dosierten HMDSO in die Gasphase bewirkt. Als zweiter Precursor 62a befindet sich Tetraisopropylorthotitanat (TIPOT) in einem zweiten Behälter 62, der über eine Heizung 62b beheizt wird. Hierdurch wird das TIPOT in die Gasphase überführt, wobei auch hier eine Heizung 66 dafür sorgt, dass es nicht in der Gaszuleitungsvorrichtung 60 kondensiert. Die gasförmigen Edukte Sauerstoff und das Trägergas Argon werden über die Zuleitungen 63, 65 zugeführt, wobei die Regelung dieser Gase über Ventile 63a, 65a gewährleistet ist.After this cleaning, the educts required for the layer are fed into the coating chamber 20 via a gas feed device 60 . Here is the first precursor 61 a hexamethyldisiloxane (HMDSO) in a container 61, which is acted upon via a supply line 64 with helium and regulated with a valve 64 a. With a helium pressure of approx. 0.5 bar, which acts on the HMDSO surface, HMDSO is pressed as a liquid into a line in which there is a liquid metering system 61 b. After the metering system, the line is heated by means of a heater 66 , which causes the metered HMDSO to be converted into the gas phase. The second precursor 62 a is tetraisopropyl orthotitanate (TIPOT) in a second container 62 , which is heated by a heater 62 b. As a result, the TIPOT is converted into the gas phase, a heater 66 also ensuring that it does not condense in the gas supply device 60 . The gaseous starting materials oxygen and the carrier gas argon are supplied via the feed lines 63 , 65 , the regulation of these gases being ensured via valves 63 a, 65 a.
Zu Beginn der Beschichtung wird ein zu größten Teils aus HMDSO bestehendes und zu einem geringen Teil aus TIPOT und Sauerstoff bestehendes Prozessgasgemisch zur Abscheidung eines weichen, gut haftenden Bereichs verwendet. Dem Prozessgas wird dann in zunehmendem Maße TIPOT und HMDSO zugemischt, sowie der Sauerstoffanteil erhöht. In der Schichtmitte, wo sich das Maximum des Metalloxidgehaltes befinden soll, werden dabei pro Kubikmeter Kammervolumen etwa 0,2 ml/min TIPOT in die Gasphase überführt bzw. verdampft und in die Beschichtungskammer eingespeist. Im weiteren Prozessverlauf wird die Zufuhr des TIPOT verringert und schließlich ganz eingestellt, so dass oberflächlich ein metallfreier Schichtbereich abgeschieden wird. Über die Schichtdicke wird dabei die eingeleitete Sauerstoffmenge von 0 bis auf 400 Standard kubikzentimeter (sccm) pro Minute an der Schichtoberfläche gesteigert. Die Menge an HMDSO, die für die Oberfläche der Schicht benötigt wird, beträgt pro Kubikmeter Kammervolumen 1 ml/min. die in die Gasphase überführt werden muss.At the beginning of the coating, a large part consisting of HMDSO is added a small part of the process gas mixture consisting of TIPOT and oxygen Deposition of a soft, well adhering area is used. The process gas is then increasingly TIPOT and HMDSO mixed in, as well as the oxygen content elevated. In the middle of the layer, where the maximum of the metal oxide content should be, 0.2 ml / min of TIPOT into the gas phase per cubic meter of chamber volume transferred or evaporated and fed into the coating chamber. In the further The course of the process reduces the supply of the TIPOT and finally stops it completely that a metal-free layer area is deposited on the surface. About the The layer thickness becomes the amount of oxygen introduced from 0 to 400 standard cubic centimeters (sccm) per minute on the layer surface increased. The amount of HMDSO, which is required for the surface of the layer, is per cubic meter Chamber volume 1 ml / min. which has to be converted into the gas phase.
Nach dem Abschalten der Energiezuführung für das Plasma und der Prozessgase erfolgt die Belüftung der Kammer und die Entnahme des Bauteils.After switching off the energy supply for the plasma and the process gases ventilation of the chamber and removal of the component.
Claims (17)
- - Steigerung des Sauerstoffanteils im oder als Trägergas mit zunehmender Schichtdicke,
- - Konstanthaltung des Anteils an verdampftem, das Silizium und die Kohlenwasser stoffgruppen enthaltenden ersten Precursor über die Schichtdicke,
- - zunächst Steigerung und danach Senkung des Anteils an verdampftem, das Metall enthaltenden zweiten Precursor über die Zeit des Beschichtungsprozesses.
- Increase in the proportion of oxygen in or as carrier gas with increasing layer thickness,
- Keeping the proportion of evaporated first precursor containing the silicon and the hydrocarbon groups constant over the layer thickness,
- - First increase and then decrease in the proportion of evaporated, the metal-containing second precursor over the time of the coating process.
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