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DE19537267C1 - Mass prodn. of multi-coloured sputtered coatings - Google Patents

Mass prodn. of multi-coloured sputtered coatings

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DE19537267C1
DE19537267C1 DE19537267A DE19537267A DE19537267C1 DE 19537267 C1 DE19537267 C1 DE 19537267C1 DE 19537267 A DE19537267 A DE 19537267A DE 19537267 A DE19537267 A DE 19537267A DE 19537267 C1 DE19537267 C1 DE 19537267C1
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Germany
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substrates
ion source
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coating
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Tilo Poitz
Bernd Hoehne
Joachim Lindner
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GRC GLASS REFINING CENTER GES
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Abstract

Applying thin coloured layers on substrates with curved surfaces, esp. on rotationally symmetrical glass, porcelain or ceramic substrates, involves directing an ion beam on to a coating material target to cause sputtering of coating material molecules which deposit on substrates moving in a circular path about the ion source. The novelty is that the curved substrates are moved with constant angle and spacing on a vertical circuit about the ion source (3) and are simultaneously rotated about their longitudinal axes so that, during one revolution about the ion source, they pass several times through the claviform spray region (6) of molecules sputtered from the target (4), a reactive gas opt. being introduced into the region (6). Also claimed is an appts. for carrying out the above process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von dünnen farbigen Schichten auf Substrate mit gekrümmten Oberflächen, insbesondere auf rotationssymmetrische Substrate aus Glas, Porzellan oder Keramik, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei wird ein geeignetes Beschichtungsmaterial als Aufprallmaterial in einer Vakuum­ kammer mit einem Ionenstrahl beaufschlagt, wobei sich die abgestäubten Moleküle auf den zu beschichtenden Oberflächen niederschlagen. Als Beschichtungsmaterialien können grund­ sätzlich alle für die Ionenstrahltechnik geeigneten Metalle und Nichtmetalle sowie deren Verbindungen eingesetzt werden. Die Erfindung soll insbesondere bei der dekorativen, mehrfar­ bigen Beschichtung von hochwertigen Tafelservices aus Glas oder Porzellan Anwendung finden.The invention relates to a method for applying thin colored layers on substrates with curved surfaces, in particular on rotationally symmetrical substrates Glass, porcelain or ceramic, as well as a device to carry out the procedure. This will be a suitable one Coating material as an impact material in a vacuum chamber charged with an ion beam, the dusted molecules on the surfaces to be coated knock down. Coating materials can be basic all metals and metals suitable for ion beam technology Non-metals and their compounds are used. The invention is intended in particular in the decorative, multicolour coating of high-quality table services made of glass or porcelain.

Es sind bereits verschiedene Verfahren und Einrichtungen bekannt, mit denen ebene flächige Unterlagen, z. B. Glas- oder Metallplat­ ten, mit verschiedenfarbigen dünnen Auflagen zu dekorativen oder technologisch bestimmten Zwecken mit Hilfe eines in einer Vakuum­ kammer wirkenden Ionenstrahles beschichtet werden können, wobei aus dem jeweiligen Beschichtungsmaterial herausgelöste (heraus­ gesputterte) Moleküle sich auf den zu beschichtenden Oberflächen (Substraten) niederschlagen.Various methods and devices are already known with which flat flat documents, e.g. B. glass or metal plate with different colored thin pads for decorative or technologically specific purposes using one in a vacuum chamber acting ion beam can be coated, wherein detached from the respective coating material (out sputtered) molecules on the surfaces to be coated (Substrates).

Beispielsweise sind die in DE-AS 22 41 634 und DE-PS 29 02 848 beschriebenen Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die zu be­ schichtenden flachen Substrate in einer Ebene horizontal mit wähl­ barer Neigung gegenüber den abgestäubten Molekülen gedreht werden und daß zur Erzeugung mehrerer aufeinanderfolgender Schichten jeweils ein anderes Aufprallmaterial in den Ionenstrahl ge­ bracht wird. Examples are those in DE-AS 22 41 634 and DE-PS 29 02 848 described method, characterized in that the be layering flat substrates in a horizontal plane with select can be rotated towards the dusted molecules and that to create several successive layers a different impact material into the ion beam is brought.  

Die US 53 08 461 schützt ebenfalls ein Verfahren zur Ionen­ strahlbeschichtung flacher Substrate, speziell von Leiterplat­ ten. Diese sind unbeweglich auf tellerförmigen Substrathaltern befestigt, die sich horizontal um ihre eigenen Achsen drehen und gleichzeitig auf einer elliptischen Bahn in den Bereich des ge­ sputterten Materials und aus diesem wieder heraus geführt werden.US 53 08 461 also protects a process for ions beam coating of flat substrates, especially from printed circuit boards These are immovable on plate-shaped substrate holders attached, which rotate horizontally about their own axes and at the same time on an elliptical path in the area of the ge sputtered material and out of it.

Damit sind die bekannten, den Stand der Technik charakterisieren­ den Verfahren ausschließlich für die Ionenstrahlbeschichtung von Substraten mit ebener, höchstens leicht gekrümmter Oberfläche ge­ eignet. Darüber hinaus ist die Reinigung und Beschichtung der Substrate nur in verschiedenen Arbeitsgängen oder mehreren Be­ schichtungskammern möglich. Für das Aufbringen von Schichten aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise von mehrfarbigen Be­ schichtungen, sind mehrere Materialträger (Targets) erforderlich.This characterizes the known state of the art the process exclusively for the ion beam coating of Substrates with a flat, at most slightly curved surface is suitable. In addition, the cleaning and coating of the Substrates only in different work steps or several Be stratification chambers possible. For applying layers made of different materials, for example multicolored Be layers, several material carriers (targets) are required.

Die Erfindung verfolgt deshalb das Ziel, die bekannten Verfah­ ren und Vorrichtungen für die Ionenstrahl-Vakuumbeschichtung da­ hingehend zu verbessern, daß auch Objekte mit gekrümmten Ober­ flächen, vorzugsweise rotationssymmetrische Körper, z. B. Gefäße in großer Anzahl in einem Arbeitsgang und wahlweise mehrfach be­ schichtet werden können und eine Prozeßunterbrechung zwischen Sub­ stratreinigung und -beschichtung nicht mehr zu erfolgen braucht.The invention therefore pursues the aim of the known method and devices for ion beam vacuum coating to improve that even objects with curved upper surfaces, preferably rotationally symmetrical body, for. B. vessels in large numbers in one operation and optionally multiple times can be layered and a process interruption between sub strat cleaning and coating no longer needs to be done.

Die Aufgabe besteht darin, die gekrümmten, vorzugs­ weise rotationssymmetrischen Substrate derart auf einer Kreisbahn um die Ionenquelle zu führen, daß sie bei einem Umlauf um diese mehrmals den Sprühbereich der aus dem Target herausgelösten Moleküle des Beschichtungsmaterials (Sputterkeule) durchlaufen.The task is to prefer the curved one wise rotationally symmetrical substrates in such a way on a circular path to lead the ion source to orbit it the spray area of the detached from the target several times Pass through molecules of the coating material (sputtering lobe).

Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Substrate mit konstantem Winkel und Abstand erfindungsgemäß auf einer vertikalen Kreis­ bahn um die Ionenquelle geführt werden, wobei jedes Substrat im Bereich der Sputterkeule zusätzlich um seine eigene Längsachse gedreht wird. Dabei passieren die Substrate erfindungsgemäß mehrmals den Sprühbereich der Farbmoleküle. Gleichzeitig ergibt sich ohne Prozeßunterbrechung die Möglichkeit zur Gestaltung mehr­ farbiger Beschichtungen und Muster, indem erfindungsgemäß ein mit den herausgesputterten Molekülen reagierendes Gas, beispiels­ weise Sauerstoff oder Stickstoff, in den Bereich der Sputter­ keule eingebracht wird, was zu Farbänderungen durch Oxidation oder Reduktion führt. This problem is solved by the substrates with constant Angle and distance according to the invention on a vertical circle orbit around the ion source, with each substrate in the area of the sputtering lobe also around its own longitudinal axis is rotated. The substrates pass according to the invention several times the spray area of the paint molecules. At the same time results the possibility to design more without interrupting the process colored coatings and patterns by inventing a gas reacting with the sputtered molecules, for example wise oxygen or nitrogen, in the area of the sputter club is introduced, causing color changes due to oxidation or reduction leads.  

Vor Prozeßbeginn erfolgt erfindungsgemäß die Reinigung der bereits in Eigenrotation und Umlauf um die Ionenquelle versetzten Substrate, indem sie dem Aufprall des Ionenstrahls in der Vakuum­ kammer direkt ausgesetzt werden. Ein Verfestigen der aufge­ brachten Schichten wird im Anschluß an den Beschichtungs­ prozeß ebenfalls durch nochmaliges direktes Auftreffen des Ionenstrahls auf die Substrate erreicht. Damit wird die Beschich­ tung untrennbar mit der Substratoberfläche verbunden.According to the invention, the cleaning of the already in self rotation and rotation around the ion source Substrates by the impact of the ion beam in the vacuum chamber directly exposed. A solidification of the up brought layers is following the coating process also by hitting the Ion beam reached on the substrates. With that the Beschich device inseparably connected to the substrate surface.

Die zur Durchführung des Verfahrens entwickelte Vorrichtung mit den an sich bekannten Elementen Vakuumkammer mit Ionenquelle- Aufprallplatte (Target) und Substrathaltern ist erfindungsge­ mäß so gestaltet, daß die Substrathalter auf dem Umfang eines Drehkorbes angeordnet sind, der um eine zentrale Achse im Inneren der Vakuumkammer vertikal die Ionenquelle umlaufen kann. Die zur einseitigen Fixierung der einzelnen Substrate ausge­ führten Substrathalter ermöglichen darüber hinaus eine Drehung der Substrate um ihre Längsachsen (Eigenrotation).The device developed to carry out the method with the elements known per se vacuum chamber with ion source Impact plate (target) and substrate holders is fiction, ge moderately designed so that the substrate holder on the circumference of a Rotating basket are arranged around a central axis inside the vacuum chamber can circulate vertically around the ion source. The one-sided fixation of the individual substrates guided substrate holders also allow rotation of the substrates around their longitudinal axes (self-rotation).

Die Aufprallplatte (Target) ist erfindungsgemäß über ein Kipp­ gestänge in der Vakuumkammer befestigt, so daß es zur Substrat­ reinigung vor Beschichtungsbeginn oder zur Verfestigung der aufgebrachten Beschichtung in die Ebene der Substrathalterungen zurückgeklappt werden kann, um das unmittelbare Auftreffen des Ionenstrahls auf die Substrate zu ermöglichen. Das Target selbst kann als V-Target (Bitarget) oder als Planartarget (Mono­ target) gestaltet sein und erforderlichenfalls aus Mehrfachan­ ordnungen bestehen.According to the invention, the impact plate (target) is tilted rods attached in the vacuum chamber so that it is to the substrate cleaning before the start of coating or to solidify the applied coating in the plane of the substrate holders can be folded back to the direct impact of the ion beam onto the substrates. The target itself can be used as a V-target (bit target) or as a planar target (mono target) and, if necessary, multiple regulations exist.

Als V-Target ist das mit dem Aufprallmaterial (Beschichtungsmate­ rial) versehene Target in seiner Mitte durch einen spitzen Winkel geteilt, der die Entstehung von zwei örtlich versetzt auf die Substrate auftreffenden Sputterkeulen (Biwolke) bewirkt. Dieser Winkel ist vom Radius des Drehkorbes und vom Abstand zur Ionenquelle abhängig wählbar. Als Planartarget besteht das Target aus einer Targetplatte, die in x-y-z-Richtung ver­ schiebbar angeordnet ist, so daß nur eine Sputterkeule (Mono- Wolke) entsteht.As a V target, this is with the impact material (coating material rial) provided target in the middle by an acute angle divided, which shifted the emergence of two locally to the Substrates impacting sputtering lobes (bi-cloud). This Angle is the radius of the rotating basket and the distance to it Ion source selectable depending. That exists as a planar target Target from a target plate ver in the x-y-z direction is slidably arranged so that only one sputtering lobe (mono- Cloud) arises.

Im Sprühbereich des aus dem Target herausgesputterten Materials (Sputterkeule(n)) sind erfindungsgemäß Gaszufuhrdüsen angeordnet. In the spray area of the material sputtered out of the target (Sputtering lobe (s)) are arranged according to the invention gas supply nozzles.  

Als vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung kann darüber hinaus an deren Umfang fest oder rotierend eine Schablonenblende für das Aufbringen dekorativer Muster auf den Substratoberflächen angeordnet sein.As an advantageous embodiment of the device according to the invention tion can also be fixed or rotating on its circumference a stencil for applying decorative patterns be arranged on the substrate surfaces.

Mit Hilfe der Erfindung kann in einem Arbeitsgang und in nur einer Vakuumkammer eine sehr große Anzahl von Substraten, vorzugsweise Glas- oder Porzellangefäße, mit mehrfarbigen Schichten, je nach Beschichtungsmaterial und Schichtdicke, bei­ spielsweise in den Farbvarianten Gold, Silber, Bronze oder den ent­ sprechenden Farbtönen der Regenbogenskala dekorativ veredelt werden.With the help of the invention can be done in one operation and in only a very large number of substrates in a vacuum chamber, preferably glass or porcelain vessels, with multi-colored Layers, depending on the coating material and layer thickness for example in the color variants gold, silver, bronze or ent speaking colors of the rainbow scale are decoratively refined.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment are explained. Show in the accompanying drawing.

Fig. 1 eine Prinzipskizze des Verfahrensablaufs, Fig. 1 is a schematic diagram of the process sequence,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung. Fig. 2 shows a section through the device.

Als Substrate 2 sind Kelchgläser durch geeignete Substrathalter 1 auf dem Drehkorbumfang 10 angeordnet. Die Substrathalter 1 sind in an sich bekannter Weise, z. B. als Klauen oder Steckverbindungen, zur Aufnahme der Gläser gestaltet. Auf dem Umfang des Dreh­ korbes 10 sind je 32 Substrate in 4 Ebenen (insgesamt 128 Substrate) angeordnet. Der Drehkorb 10 wird von der Antriebs­ achse 8 vertikal um die Ionenquelle 3, das V-Target 4 und die Sput­ terkeulen 6 (Biwolke) gedreht, während die Substrate 2 auf den Substrathaltern 1 um ihre Längsachsen drehbar angeordnet sind. Diese "Eigenrotation" der Substrathalter und Substrate erfolgt mittels einer an sich bekannten, angepaßten Antriebsvorrichtung z. B. dann, wenn die Substrate den Sprühbereich der Sputterkeulen passieren. Als Targetmaterial für die Beschichtung der Substrate können zum Beispiel Titan, Titannitrid, Zirkon, Zirkoniumsoxid, Siliziumoxid oder Vanadiumoxid eingesetzt werden. Über die Gaszuführdüsen 9 wird z. B. bei Verwendung von Metallen Sauerstoff zugeführt, um einen bestimmten Farbton über die bei Oxidation entstehende Metall­ verbindung zu erhalten. Das Bitarget 4 ist über Kippgestänge aus dem Ionenstrom herausklappbar, so daß die Reinigung der Substrate vor Beschichtungsbeginn und das Verfestigen der Schicht nach dem Beschichtungsvorgang direkt im Ionenstrom erfolgen kann. Die Schablonenblende 7 gestattet die Gestaltung dekorativer Muster und attraktiver Veredlungsvarianten.As substrates 2 , goblet glasses are arranged on the rotating basket circumference 10 by means of suitable substrate holders 1 . The substrate holder 1 are in a known manner, for. B. designed as claws or connectors to accommodate the glasses. On the circumference of the rotating basket 10 , 32 substrates are arranged in 4 levels (a total of 128 substrates). The rotating basket 10 is rotated by the drive axis 8 vertically around the ion source 3 , the V-target 4 and the sputtering clubs 6 (bi-cloud), while the substrates 2 are rotatably arranged on the substrate holders 1 about their longitudinal axes. This "self-rotation" of the substrate holder and substrates takes place by means of a known, adapted drive device such. B. when the substrates pass the spray area of the sputtering lobes. For example, titanium, titanium nitride, zirconium, zirconium oxide, silicon oxide or vanadium oxide can be used as target material for the coating of the substrates. About the gas supply nozzles 9 z. B. when using metals oxygen is supplied in order to obtain a certain color via the metal compound formed during oxidation. The bit target 4 can be folded out of the ion stream via tilting rods so that the cleaning of the substrates before the start of coating and the solidification of the layer after the coating process can take place directly in the ion stream. The stencil cover 7 allows the design of decorative patterns and attractive finishing variants.

BezugszeichenlisteReference list

1 Substrathalter
2 Substrate (z. B. Tafelgläser)
3 Ionenquelle
4 Target
5 Kippgestänge
6 Sputterkeule
7 Schablonenblende
8 Drehkorb-Antriebsachse
9 Gaszufuhrdüsen
10 Drehkorb
11 Vakuumkammer (Vakuum-Kessel) 1 substrate holder
2 substrates (e.g. table glasses)
3 ion source
4 target
5 tipping rods
6 sputtering club
7 stencil cover
8 Rotary basket drive axle
9 gas supply nozzles
10 rotating basket
11 vacuum chamber (vacuum boiler)

Claims (10)

1. Verfahren zum Aufbringen von dünnen, farbigen Schichten auf Substrate mit gekrümmten Oberflächen, insbesondere auf rotationssymmetrische Substrate aus Glas, Prozellan oder Keramik, indem das zur Beschichtung verwendete Material als Aufprallmaterial in einer Vakuumkammer mit einem Ionen­ strahl beaufschlagt wird, Moleküle des Beschichtungsmaterials abgestäubt werden und sich auf den Oberflächen der zu beschich­ tenden Substrate niederschlagen, wobei diese auf einer Kreisbahn um die Ionenquelle geführt werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gekrümmten Sub­ strate (2) mit konstantem Winkel und in gleichem Abstand auf einer vertikalen Kreisbahn um die Ionenquelle (3) geführt und dabei gleichzeitig um ihre Längsachsen gedreht werden, wobei sie bei einer Umdrehung um die Ionenquelle (3) wahlweise mehr­ mals den Sprühbereich der aus der Aufprallplatte (Target) (4) herausgelösten Farbmoleküle (Sputterkeule) (6) passieren und zusätzlich ein mit diesen Molekülen reagierendes Gas in die Sputterkeule(n) (6) eingebracht werden kann.1. Method for applying thin, colored layers on substrates with curved surfaces, in particular on rotationally symmetrical substrates made of glass, Prozellan or ceramic, by applying the material used for coating as an impact material in a vacuum chamber with an ion beam, molecules of the coating material are dusted and are deposited on the surfaces of the substrates to be coated, which are guided in a circular path around the ion source, characterized in that the curved substrates ( 2 ) are at a constant angle and at the same distance on a vertical circular path around the ion source ( 3 are guided) while simultaneously rotated about their longitudinal axes, being optionally several times the spraying of from the impingement plate (target) (4) out dissolved dye molecules (Sputterkeule) (6) pass at a revolution around the ion source (3) and in addition a react with these molecules can be introduced into the sputtering lobe (s) ( 6 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch definierte Zufuhr des mit dem herausgesputterten Material reagierenden Gases, beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff, mehrfarbige Schichten und Muster auf den Substratoberflächen (2) erzeugt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that multicolored layers and patterns on the substrate surfaces ( 2 ) are generated by a defined supply of the gas reacting with the sputtered material, for example oxygen or nitrogen. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des Beschichtungsvorgangs eine Oberflächenreinigung der bereits in Eigenrotation und Umlauf um die Ionenquelle (3) versetzten Substrate (2) durch direkten Aufprall des Ionenstrahls bei herausgeklapptem Target (4) in der Vakuumkammer (11) er­ folgt.3. The method according to claim 1, characterized in that prior to the start of the coating process, a surface cleaning of the substrates ( 2 ) which have already been self-rotating and rotating around the ion source ( 3 ) by direct impact of the ion beam with the target ( 4 ) folded out in the vacuum chamber ( 11 ) he follows. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Beschichtungsvorgang die aufgebrachten Schichten durch direkten Aufprall des Ionenstrahls untrennbar mit der Substrat­ oberfläche (2) verbunden werden. 4. The method according to claim 1, characterized in that after the coating process, the applied layers are inseparably connected to the substrate surface ( 2 ) by direct impact of the ion beam. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, bestehend aus einer Vakuumkammer mit Ionenquelle, Substrathalterung und Aufprallplatte (Target), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Substrathalter (1), auf denen die Substrate (2) um ihre Längsachsen drehbar fixiert sind, auf dem Umfang eines Drehkorbes (10) mit Achse (8) angeordnet sind.5. An apparatus for performing the method according to claim 1 to 4, consisting of a vacuum chamber with ion source, substrate holder and impact plate (target), characterized in that the substrate holder ( 1 ) on which the substrates ( 2 ) rotatably fixed about their longitudinal axes are arranged on the circumference of a rotating basket ( 10 ) with axis ( 8 ). 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Sprühbereich (6) des aus dem Target (4) herausgesputterten Materials Gaszufuhrdüsen (9) angeordnet sind.6. The device according to claim 5, characterized in that gas supply nozzles ( 9 ) are arranged in the spray region ( 6 ) of the material sputtered out of the target ( 4 ). 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (4) in seiner Mitte durch einen spitzen Winkel ge­ teilt ist, der vom Radius des Drehkorbes (10) und dem Ab­ stand zur Ionenquelle (3) abhängig ist (V-Target).7. The device according to claim 5, characterized in that the target ( 4 ) is divided in its center by an acute angle, which was dependent on the radius of the rotating basket ( 10 ) and from the ion source ( 3 ) (V target ). 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (4) in x-y-z-Achse verschiebbar und in einem belie­ bigen Winkel zum Mittelpunkt der Ionenquelle (3) angeordnet ist (Planartarget).8. The device according to claim 5, characterized in that the target ( 4 ) is displaceable in the xyz axis and at an arbitrary angle to the center of the ion source ( 3 ) (planar target). 9. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (4) über Kippgestänge (5) herausklappbar aus­ geführt ist und wahlweise aus Mehrfachanordnungen bestehen kann.9. The device according to claim 5 to 8, characterized in that the target ( 4 ) on tilting linkage ( 5 ) is guided out and can optionally consist of multiple arrangements. 10. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an ihrem Umfang fest oder rotierend eine Schablonenblende (7) angeordnet ist.10. The device according to claim 5 to 9, characterized in that a stencil screen ( 7 ) is arranged fixed or rotating on its circumference.
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