DE102009030303A1 - Process for the preparation of antireflective coating-forming coatings and antireflective coatings - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Antireflexschicht-bildenden Beschichtungen auf einem Substrat sowie eine Antireflexbeschichtung auf einem Substrat.The The invention relates to a process for the preparation of antireflective coating-forming Coatings on a substrate as well as an antireflective coating on a substrate.
Es
ist bekannt, dass heutzutage transparente Kunststoffe und Glas mit
einer Antireflex-Schicht versehen werden, um die Verluste durch
die Reflexion an den Oberflächen zu minimieren. Für
z. B. Brillengläser und Fensterscheiben werden dazu hauptsächlich
Schichtkombinationen eingesetzt, die mindestens eine hochbrechende
Schicht enthalten. Diese Multilagenschichten werden hauptsächlich über PVD-Prozesse,
wie Sputtern oder Aufdampfen, hergestellt (
Um
eine wirksame Erhöhung der solaren Transmission zu erreichen,
muss der Brechungsindex des Substratmaterials (nS ≅ 1,5)
an denjenigen von Luft (nL = 1) über
ein sehr niedrigbrechendes Dünnschichtsystem (nD < 1,3)
angepasst werden. Dies ist mit den klassischen Beschichtungstechnologien
als dichte Filme nicht erzielbar. Allerdings sind eine Reihe von
Verfahren für die breitbandige Transmissionserhöhung
von Acrylglas und Floatglas bereits untersucht worden (
Im
Bereich der Solaranwendungen werden solche Antireflex-Eigenschaften
auf Glas über Sol-Gel-Schichten (Centrosolar,
Wenn
Kunststoffe entspiegelt werden sollen, werden dazu häufig
Strukturen in die Oberfläche geprägt oder es wird
durch Plasmaätzen die Oberfläche strukturiert
(
In
jüngster Zeit werden immer häufiger Plasmen eingesetzt,
die bei Umgebungsdruck arbeiten. Mit kalten, bei Atmosphärendruck
betriebenen, im technischen Sprachgebrauch auch. als „Corona-Entladungen” bezeichneten
dielektrisch behinderten Entladungen („(dielektrische)
Barrierenentladungen”) ist es möglich, mittels
PECVD ebenfalls Schichten abzuscheiden. Hierbei können
ebenfalls gezielt poröse Schichten hergestellt werden,
die als Antireflex-Schicht eingesetzt werden können. In
Alle diese Schichten bzw. porösen Materialien zeigen einen sehr ähnlichen, optisch nahezu gleichen Verlauf der Transmission bzw. Reflexion. Sie können über die Schichtdicke und den Brechungsindex in einem begrenzten spektralen Bereich auf eine gute Transmission bzw. geringe Reflexion optimiert werden. Eine breitbandige Entspiegelung kann damit aber nicht erreicht werden.All these layers or porous materials show a very similar, optically almost the same course of the transmission or reflection. You can about the layer thickness and the refractive index in a limited spectral range to a good transmission or low reflection can be optimized. A broadband anti-reflective coating but can not be achieved with it.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige, breitbandige Entspiegelung von Substraten zu ermöglichen, wobei auch die Brechungsindices der benachbarten Schichten angepasst sein sollen.outgoing It is the object of the present invention to provide a cost-effective, to enable broadband antireflective of substrates wherein also the refractive indices of the adjacent layers are adjusted should be.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merk malen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 23 betrifft eine Antireflexbeschichtung. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.These The object is achieved by the method with the features of the claim 1 solved. Claim 23 relates to an antireflective coating. Further advantageous embodiments are in the dependent claims contain.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer eine Antireflexschicht bildenden Beschichtung auf einem sich bewegenden Substrat, mittels eines PECVD-Verfahrens bereitgestellt, wobei eine Gasmischung umfassend mindestens ein Arbeits-, Träger- sowie Balancegas durch mindestens einen zwischen mindestens zwei Hochspannungselektroden bildenden Spalt geführt wird und mindestens zwischen dem sich bewegenden Substrat, das von mindestens einer Gegenelektrode getragen wird, und den Hochspannungselektroden ein Plasma erzeugt wird, das eine Plasmazone vorgibt mit der Maßgabe, dass bei Atmosphärendruck bzw. annäherndem Atmosphärendruck gearbeitet wird und eine Volumendosis des Plasmas von 105 bis 108 Ws/m3 in der Plasmazone eingehalten wird.According to the invention, a process is provided for producing at least one antireflection coating on a moving substrate by means of a PECVD process, wherein a gas mixture comprising at least one working, carrier and balance gas is passed through at least one gap forming between at least two high voltage electrodes and at least between the moving substrate carried by at least one counterelectrode and the high voltage electrodes, a plasma is generated which provides a plasma zone with the proviso that operating at atmospheric pressure or approximately atmospheric pressure and a volume dose of the plasma from 10 5 to 10 8 Ws / m 3 is maintained in the plasma zone.
Unter annäherndem Atmosphärendruck wird erfindungsgemäß ein Druck zwischen 0,9 und 1,1 bar verstanden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, über einen PECVD-Prozess bei Atmosphärendruck (bzw. annäherndem Atmosphärendruck) eine sehr breitbandige (mehrere 100 nm) Entspiegelung bzw. Erhöhung der Transmission zu erreichen. Dazu wurde die Anordnung eines Elektrodensystems mit einem Gaseinlass und mehreren Hochspannungselektroden dahingehend optimiert, dass die in einem Schritt, d. h. bei nur einer Passage der zu entspiegelnden Scheibe durch eine Beschichtungsvorrichtung, abgeschiedene Schicht unterschiedliche Brechungsindices enthält. Wichtig ist dabei, dass die Anzahl der Elektroden sowie die Gaszufuhr und Gasabfuhr genau auf das Monomer abgestimmt wer den, um die optimalen optischen Eigenschaften zu erhalten.Under approximate atmospheric pressure is understood according to the invention a pressure between 0.9 and 1.1 bar. With the method according to the invention, it is possible via a PECVD process at atmo Spherical pressure (or approximate atmospheric pressure) to achieve a very broadband (several 100 nm) anti-reflection or increase in the transmission. For this purpose, the arrangement of an electrode system with a gas inlet and a plurality of high-voltage electrodes has been optimized such that the layer deposited in one step, ie, only one passage of the wafer to be coated by a coating apparatus, contains different refractive indices. It is important that the number of electrodes and the gas supply and gas removal matched exactly to the monomer who the, to obtain the optimum optical properties.
Bevorzugt liegt die Volumendosis im Bereich von 2 × 105 bis 2 × 107 Ws/m3. Dadurch wird eine optimale Beschichtung des Substrates ermöglicht. So ist es möglich, eine Oberfläche zu erhalten, die möglichst gleichmäßig beschichtet ist. Die Volumendosis setzt sich dabei aus der Leistung pro Volumen und der Verweilzeit des Prozessgases in der Plasmazone in dem Volumen zusammen. Sie ist ein Maß für den Umsetzungsgrad des Precursors.Preferably, the volume dose is in the range of 2 × 10 5 to 2 × 10 7 Ws / m 3 . As a result, an optimum coating of the substrate is made possible. So it is possible to obtain a surface that is coated as evenly as possible. The volume dose is composed of the power per volume and the residence time of the process gas in the plasma zone in the volume. It is a measure of the degree of conversion of the precursor.
Weiterhin kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer dielektrischen Barriereentladung gearbeitet werden.Farther can in the inventive method with a dielectric barrier discharge to be worked.
Die Gasgeschwindigkeit der Gasmischung kann dabei so gewählt werden, dass eine Verweildauer des Plasmas in der Plasmazone von 1 ms bis 1000 ms eingehalten wird. Dies ermöglicht eine homogene Beschichtung der Oberfläche in Abhängigkeit von den eingesetzten Substraten wie auch dem Arbeits-, Träger- sowie Balancegas. Vorteilhaft ist eine Verweildauer von 5 ms bis 500 ms.The Gas velocity of the gas mixture can be chosen so be that a residence time of the plasma in the plasma zone of 1 ms to 1000 ms is maintained. This allows a homogeneous coating of the surface in dependence of the substrates used as well as the working, carrier as well as balance gas. An advantage is a residence time of 5 ms to 500 ms.
Alternativ kann das PECVD-Verfahren so betrieben werden, dass die Plasmazone einen Vorionisationsbereich mit verminderter Abscheiderate und einen Abscheidebereich umfasst.alternative The PECVD method can be operated so that the plasma zone a Vorionisationsbereich with reduced deposition rate and a Separation area includes.
Bevorzugt wird das PECVD-Verfahren so betrieben, dass die Vorionisation mindestens teilweise im Spalt erfolgt. Dabei kann die Anordnung für das Verfahren aus z. B. einer Gaszufuhr in der Mitte und mindestens einer oder mehrerer beliebig breiter Elektroden auf je der Seite der Gaszufuhr bestehen, wodurch auch eine gezielte Absaugung des Gases so realisiert werden kann. Durch eine geeignete elektrische Anordnung kann die Vorionisation auch zwischen den Elektroden erfolgen, so dass auf dem Substrat nur die Abscheidung erfolgt. Im Bereich der Vorionisation wird üblicherweise nur eine geringfügige Schicht abgeschieden, wohingegen in der Abscheidungszone die eigentliche Abscheidung erfolgt.Prefers the PECVD process is operated so that the pre-ionization at least partially done in the gap. The arrangement for the method of z. B. a gas supply in the middle and at least one or more arbitrarily wide electrodes on each side consist of gas supply, whereby a targeted extraction of the Gases can be realized. By a suitable electrical Arrangement, the preionization can also take place between the electrodes, so that only the deposition takes place on the substrate. In the area The preionization is usually only a minor Layer deposited, whereas in the deposition zone, the actual Deposition takes place.
Vorteilhafterweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren pro beschichteter Substratoberfläche, bezogen auf das unbeschichtete Substrat, eine Reflektionsminderung um mindestens 2,5% in einem Wellenlängenbereich von mindestens 200 nm erreicht. Dieser Bereich kann variabel zwischen 200 nm und 1500 nm eingestellt werden und z. B. zwischen 300 nm und 500 nm, 400 nm und 600 nm oder 500 nm und 700 nm liegen.advantageously, is coated with the method according to the invention pro Substrate surface, based on the uncoated substrate, a Reflection reduction by at least 2.5% in one wavelength range of at least 200 nm. This area can be variable between 200 nm and 1500 nm are set and z. B. between 300 nm and 500 nm, 400 nm and 600 nm or 500 nm and 700 nm.
Beim Durchgang eines Lichtstrahls durch eine Scheibe wird das Licht an Grenzflächen reflektiert und in den Materialien absorbiert; aus Gründen der Energieerhaltung ist die transmittierte Intensität, bezogen auf eine einfallende Intensität von 100%, gegeben durch T = 100% – R – A, wobei R und A die „Energieverluste” durch Reflexion und Absorption bezeichnen. Wenn es gelingt, durch Entspiegelung einer Grenzfläche des ursprünglich unbeschichteten Glases die Reflexion um x% zu verringern, steigt T um x% an. Die theoretisch maximal mögliche Entspiegelung einer Grenzfläche eines Materials mit dem Brechungsindex ns beträgt dabei [(ns – 1)/(ns + 1)]2, bei gewöhnlichem Glas mit ns ≈ 1,5 also 4,0%.As a light beam passes through a disk, the light is reflected at interfaces and absorbed in the materials; for energy conservation reasons, the transmitted intensity, based on an incident intensity of 100%, is given by T = 100% - R - A, where R and A denote the "energy losses" by reflection and absorption. If it is possible to reduce the reflection by x% by antireflecting an interface of the originally uncoated glass, T increases by x%. The theoretically maximum possible antireflection of an interface of a material with the refractive index n s is [(n s -1) / (n s + 1)] 2 , in the case of ordinary glass with n s ≈ 1.5 that is 4.0%.
Das Substrat weist bevorzugt im Bereich von 300 bis 1000 nm eine Reflektionsminderung von mindestens 2,5% auf. Dies umfasst folglich nicht nur den Bereich des sichtbaren Lichtes, sondern auch einen Teil des nahen Infrarot-Bereichs sowie auch des UV-Lichtes. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine große spektrale Bandbreite und damit verbundenen, verschiedenen Anforderungen einsetzbar.The Substrate preferably has a reflection reduction in the range of 300 to 1000 nm of at least 2.5%. Consequently, this does not only cover the area of visible light, but also a part of the near infrared range as well as the UV light. Thus, the invention Method for a large spectral bandwidth and related, various requirements can be used.
Es kann auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine eine Antireflexschicht bildende Beschichtung abgeschieden werden.It can also with the method according to the invention a coating forming an antireflective layer is deposited.
Weiterhin kann auf der mindestens einen Schicht, die eine Antireflexschicht bildet, mindestens eine weitere Schicht abgeschieden werden.Farther can be on the at least one layer containing an antireflective layer forms, at least one further layer to be deposited.
Vorteilhafterweise kann als mindestens eine weitere Schicht eine die Benetzung der Oberfläche beeinflussende Schicht abgeschieden werden. Dies kann eine hydrophobe Schicht sein, die z. B. mittels Hexamethylcyclotrisiloxan, Hexamethyldisiloxan oder einer Fluorverbindung (c-C4F8 oder CF4) unter inerten Bedingungen (Ar, He, N2 als Trägergas) abgeschieden werden kann und einen Wasserrandwinkel über 90° aufweist.Advantageously, a layer influencing the wetting of the surface can be deposited as at least one further layer. This may be a hydrophobic layer, the z. B. by hexamethylcyclotrisiloxane, hexamethyldisiloxane or a fluorine compound (cC 4 F 8 or CF 4 ) under inert conditions (Ar, He, N 2 as a carrier gas) can be deposited and has a water edge angle over 90 °.
Bevorzugt wird als mindestens eine weitere Schicht eine die Kratzfestigkeit der Oberfläche verbessernde Schicht abgeschieden. Dies ermöglicht einen Einsatz der Substrate auch unter extremeren Umgebungsbedingungen, wie z. B. im Außenbereich. Dies kann eine glasartige SiOx-Schicht sein, wie sie im Beispiel 3 beschrieben ist.Preferably, a layer which improves the scratch resistance of the surface is deposited as at least one further layer. This allows use of the substrates even under extreme environmental conditions, such. B. in the outdoor area. This may be a glassy SiO x layer, as described in Example 3.
Als Arbeitsgas wird bevorzugt mindestens ein Precursor ausgewählt aus Silanen, Organosilanen, Organosiloxanen, Organosilazanen, Alkoxysilanen, fluorhaltigen Monomeren und/oder Mischungen hiervon eingesetzt.As the working gas is preferably at least a precursor selected from silanes, organosilanes, organosiloxanes, organosilazanes, alkoxysilanes, fluorine-containing monomers and / or mixtures thereof used.
Hierbei ist das Organosilan ausgewählt aus Substanzen wie z. B. Tetramethylsilan, Trimethylsilan oder Mischungen hiervon. Hierbei ist das Organosiloxan ausgewählt aus Substanzen wie z. B. Hexamethyldisiloxan, Octamethyltrisiloxan oder Mischungen hiervon. Hierbei ist das Organosilazan ausgewählt aus Substanzen wie z. B. Hexamethyldisilazan, Octamethyltrisilazan oder Mischungen hiervon. Hierbei ist das Alkoxysilan ausgewählt aus Substanzen wie z. B. Tetramethoxysilan, Tetraethoxysilan, Aminopropyltrimethoxysilan oder Mischungen hiervon.in this connection is the organosilane selected from substances such. B. Tetramethylsilane, trimethylsilane or mixtures thereof. in this connection is the organosiloxane selected from substances such. Hexamethyldisiloxane, octamethyltrisiloxane or mixtures thereof. Here, the organosilazane is selected from substances such as As hexamethyldisilazane, octamethyltrisilazane or mixtures hereof. Here, the alkoxysilane is selected from substances such as For example, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, aminopropyltrimethoxysilane or mixtures thereof.
Der Begriff „Arbeitsgas” beinhaltet eine reaktive Substanz, die bei Standard-Bedingungen (Raumtemperatur, Normaldruck) gasförmig sein kann und polymerisierbar ist, so dass sie auf dem Substrat eine Beschichtung bilden kann.Of the Term "working gas" includes a reactive one Substance which under standard conditions (room temperature, normal pressure) may be gaseous and is polymerizable, so they can form a coating on the substrate.
Je nach Precursor können die Hydrophilie der Oberfläche erhöht werden oder hydrophobe Schichten aufgebracht werden bzw. die Kratzfestigkeit und damit die Stabilität der Schichten erhöht werden. Ein Maß für den Umsetzungsgrad des Precursors in der Plasmazone ist die bereits genannte Volumendosis.ever After Precursor, the hydrophilicity of the surface be increased or hydrophobic layers are applied or the scratch resistance and thus the stability of the layers increase. A measure of the degree of implementation of the precursor in the plasma zone is the volume dose already mentioned.
Bevorzugt ist das Balancegas ausgewählt aus Luft, CO2, O2, NH3, N2O, He, N2, Ar. Das Balancegas ist erfindungsgemäß ein reaktives oder nicht reaktives Gas, das dem Trägergas und Arbeitsgas vor der Plasmazone beigemischt wird.Preferably, the balance gas is selected from air, CO 2 , O 2 , NH 3 , N 2 O, He, N 2 , Ar. The balance gas according to the invention is a reactive or non-reactive gas which is added to the carrier gas and working gas in front of the plasma zone.
Das Trägergas ist vorzugsweise ausgewählt aus Edelgasen oder Inertgasen, insbesondere Helium, Argon und Stickstoff. Trägergase sind Gase, die das Arbeitsgas in die Plasmazone trägt.The Carrier gas is preferably selected from noble gases or inert gases, in particular helium, argon and nitrogen. carrier gases are gases that carry the working gas into the plasma zone.
Vorteilhafterweise wird als Substrat Glas, insbesondere Floatglas oder Gussglas, eingesetzt. Somit sind diese Schichten hervorragend u. a. für den Einsatz im Bereich Verglasung und solare Anwendung geeignet. Mit diesem Verfahren können alle möglichen planaren Substrate, wie Folien, Platten oder Scheiben aus Glas, Silizium, Gummi oder Kunststoff beschichtet werden. Weiterhin kann durch eine dynamische Beschichtung, d. h. durch Bewegung des Substrates oder des Elektrodenkopfes, eine besonders gute Beschichtung und damit eine breitbandige Entspiegelung erreicht werden.advantageously, is used as a substrate glass, in particular float glass or cast glass. Consequently These layers are excellent u. a. for use suitable for glazing and solar applications. With this Methods can be any possible planar substrates, such as foils, plates or discs made of glass, silicon, rubber or plastic be coated. Furthermore, by means of a dynamic coating, d. H. by movement of the substrate or the electrode head, a particularly good coating and thus a broadband anti-reflection coating be achieved.
Als Substrat können ferner auch Polymere, insbesondere optisch transparente Kunststoffe, eingesetzt werden.When Substrate can also polymers, in particular optically transparent plastics, are used.
Weiterhin ist eine durch eines der bisher beschriebenen Verfahren herstellbare Antireflexbeschichtung auf einem Substrat erfindungsgemäß.Farther is a producible by one of the methods described so far Antireflection coating on a substrate according to the invention.
Anhand
der nachfolgenden
In
In
Diese verschiedenen Anordnungen sind beliebig kombinierbar in Abhängigkeit von den Substraten wie auch den gewünschten Oberflächeneigenschaften.These various arrangements can be combined as desired in dependence from the substrates as well as the desired surface properties.
Beispiel 1example 1
Antireflex-Beschichtung eines Floatglases (dynamisch)Antireflective coating of a float glass (dynamic)
Ein Beschichtungssystem mit einem zentralen Gaseinlass und je einer Hochspannungselektrode auf jeder Seite wird verwendet. Die Gasgeschwindigkeit wird so gewählt, dass eine Verweilzeit von 12 ms erreicht wird, mit einer Mischung aus Helium, Kohlendioxid, Ammoniak und Silan. Es wird eine dielektrische Barrierenentladung betrieben, so dass eine Volumendosis von 6·105 W·s/m3 erreicht wird. Ein sich bewegendes Glassubstrat wird so einseitig mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s beschichtet. Danach wird die Probe gedreht und mit den gleichen Parametern auf der Rückseite beschichtet. Bei der mittels UV-VIS-Spektroskopie vermessenen Probe reduziert sich die Reflexion im Bereich von 300 bis 1000 nm auf etwa 1%.A coating system with a central gas inlet and a high voltage electrode on each side is used. The gas velocity is chosen to achieve a residence time of 12 ms with a mixture of helium, carbon dioxide, ammonia and silane. A dielectric barrier discharge is operated, so that a volume dose of 6 · 10 5 W · s / m 3 is achieved. A moving glass substrate is coated on one side at a speed of 1 mm / s. The sample is then rotated and coated with the same parameters on the back. In the case of the UV-VIS spectroscopy measured sample, the reflection in the range of 300 to 1000 nm reduced to about 1%.
Beispiel 2Example 2
Antireflex-Beschichtung eines Floatglases (statisch)Antireflective coating of a float glass (static)
Ein Beschichtungsreaktor mit zwei Glasplatten (10 × 30 cm2) und Kupferband als planare Elektroden (5 × 25 cm2) wird von einer Seite mit einer Gasmischung aus Helium, Distickstoffoxid, Ammoniak und Silan gespült. Die Gesamtverweilzeit im Reaktor beträgt 360 ms und die gesamte Volumendosis 2·105 Ws/m3. Es zeigt sich, dass nach einer Verweilzeit von ca. 5 ms die Schichtabscheidung einer Antireflex-Schicht beginnt und aufgrund der gewählten Volumendosis diese bis zu einer Verweilzeit von ca. 140 ms als Antireflex-Schicht reicht. Danach ist der Precursor nahezu vollständig abreagiert.A coating reactor with two glass plates (10 × 30 cm 2 ) and copper tape as planar electrodes (5 × 25 cm 2 ) is rinsed from one side with a gas mixture of helium, nitrous oxide, ammonia and silane. The total residence time in the reactor is 360 ms and the total volume dose 2 × 10 5 Ws / m 3 . It turns out that after a residence time of about 5 ms, the layer deposition of an antireflection layer begins and, due to the selected volume dose, this extends as an antireflection layer up to a residence time of about 140 ms. Thereafter, the precursor is almost completely reacted.
Beispiel 3Example 3
Antireflex und Antikratz-BeschichtungAnti-reflective and anti-scratch coating
Ein Floatglas wird zuerst mit den in Beispiel 1 beschriebenen Parametern mit einer Antireflex-Schicht beschichtet. Allerdings wird diese Schicht bei einer Geschwindigkeit von 2 mm/s abgeschieden. Im Anschluss wird mit einer identischen Anordnung mit dem Precursor TMOS (Tetramethoxysilan) sowie Stickstoff und Ammoniak als Prozessgasen die Gasgeschwindigkeit so gewählt, dass eine Verweilzeit von 10 ms und eine Volumendosis von 5·105 Ws/m3 und einer Geschwindigkeit von 4 mm/s betrieben. Diese Schichtkombination zeigt neben der Antireflex-Wirkung auch eine verbesserte Kratzstabilität.A float glass is first coated with the antireflective layer using the parameters described in Example 1. However, this layer is deposited at a speed of 2 mm / s. Subsequently, with an identical arrangement with the precursor TMOS (tetramethoxysilane) and nitrogen and ammonia as process gases, the gas velocity is chosen so that a residence time of 10 ms and a volume dose of 5 × 10 5 Ws / m 3 and a speed of 4 mm / s operated. In addition to the antireflection effect, this layer combination also exhibits improved scratch stability.
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