DE4004116A1

DE4004116A1 - Vorrichtung zum beschichten eines kunststoffsubstrats, vorzugsweise eines polymethylmethacrylat-substrats, mit metallen

Info

Publication number: DE4004116A1
Application number: DE4004116A
Authority: DE
Inventors: Eggo Dipl Ing Sichmann; Wolf-Eckart Dipl Phys Fritsche; Jim Schluessler
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1990-02-10
Filing date: 1990-02-10
Publication date: 1991-08-14
Anticipated expiration: 2010-02-11
Also published as: US5068021A; DE4004116C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zum Beschichten eines Kunststoffsubstrats, vorzugsweise eines Polymethylmethacrylat-Substrats, mit Metall, insbesondere mit Aluminium, mittels einer Gleichstromquelle, welche mit einer in einer evaku ierbaren Beschichtungskammer angeordneten Elektrode verbunden ist, die elektrisch mit einem Target in Verbindung steht, das zerstäubt wird und dessen zer stäubte Teilchen sich auf dem Substrat niederschla gen, wobei in die Beschichtungskammer Prozeßgase einbringbar sind, wozu die Beschichtungskammer über Gaszuführungsleitungen sowohl mit einem Argon-Gas als auch mit einem mit Helium-Gas gefüllten Behälter ver bindbar ist, wozu in die Gaszuführungsleitungen Ven tile eingeschaltet sind, über die die Gase dosiert in die Beschichtungskammer einlaßbar sind.

Bei bekannten Verfahren wird eine Aluminiumschicht unmittelbar auf das Kunststoffsubstrat, z. B. auf Polykarbonat, aufgesputtert, und zwar ohne eine Zwischen- oder Haftschicht.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß nur Substrate mit begrenzten Abmessungen beschichtet werden können, da ab einer bestimmten Substratgröße das Polykarbonat doppelbrechend wird, so daß beispielsweise Informa tionen von Video- oder Audio-CD-Platten nicht mehr fehlerfrei abgetastet werden können.

Ein besonderes Problem besteht beim Beschichten von Kunststoffen aus der Gruppe der Polymethylacrylate, die beispielsweise als "Plexiglas" im Handel sind. Hier hat sich gezeigt, daß offenbar infolge der besonderen Empfindlichkeit dieses Werkstoffs gegen UV-Strahlung eine geringe Haftfestigkeit der aufge sputterten Schicht besteht. Tatsächlich strahlt das Plasma beim Sputtern mit den Edelgasen Neon, Argon, Krypton und Xenon hauptsächlich UV-Strahlen im Wellenlängenbereich von 70 bis 125 nm aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die geeignet ist, die Haftfestigkeit einer aufgesputterten Alumi niumschicht auf dem Kunststoffsubstrat wesentlich zu verbessern, ohne daß herkömmliche bzw. bereits vor handene Vorrichtungen oder Anlagen dafür ungeeignet sind bzw. ohne daß an diesen wesentliche oder kost spielige Umbauten oder Änderungen vorgenommen werden mussen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem ersten Beschichtungsschritt ein Argon- Plasma während einer extrem kurzen Dauer in der Beschichtungskanmer aufrecht erhalten wird, vorzugs weise bis der dabei erzeugte Sputterprozeß vom oxi dischen zum metallischen Prozeß übergeht, daß für einen zweiten Beschichtungsschritt Helium-Gas in die Beschichtungskammer eingelassen und ein Helium-Plasma gezündet wird und daß für einen dritten Beschich tungsschritt Argon-Gas in die Beschichtungskammer eingelassen und ein Argon-Plasma gezündet wird, wobei dieser Argon-Plasmaprozeß bis zum Erreichen der Soll-Schichtdicke aufrecht erhalten wird.

Bei der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens ist zweckmäßigerweise jede Gaszu führungsleitung mit jeweils einer Abpumpleitung ver bunden, in die jeweils ein Absperrventil eingeschal tet ist und die an eine Vakuumpumpe anschließbar ist.

Mit Vorteil ist dabei in jede Abpumpleitung ein Dros selventil eingeschaltet, wobei dieses Drosselventil jeweils in den Leitungsabschnitt zwischen der Lei tungsverzweigung mit der zugehörigen Gaszuführungs leitung einerseits und dem Absperrventil andererseits angeordnet ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungs möglichkeiten zu; eine davon ist in der anhängenden Zeichnung schematisch näher dargestellt, die eine Sputteranlage für das Beschichten von Kunststoff substraten zeigt.

In der Zeichnung ist ein Kunststoffsubstrat 1 darge stellt, das mit einer dünnen Aluminiumschicht 2 ver sehen werden soll. Diesem Substrat 1 liegt ein Target 3 gegenüber, das zu zerstäuben ist. Das Target 3 steht über ein im Schnitt U-förmiges Element 4 mit einer Elektrode 5 in Verbindung, die auf einem Joch 6 ruht, welches zwischen sich und dem Element 4 drei Dauermagnete 7, 8, 9 einschließt. Die auf das Target 3 gerichteten Polaritäten der Pole der drei Dauermag nete 7, 8, 9 wechseln sich ab, so daß jeweils die Südpole der beiden äußeren Dauermagnete 7, 9 mit dem Nordpol des mittleren Dauermagneten 8 ein etwa kreis bogenförmiges Magnetfeld durch das Target 3 bewirken. Dieses Magnetfeld verdichtet das Plasma vor dem Tar get 3, so daß es dort, wo die Magnetfelder das Maxi mum ihres Kreisbogens besitzen, seine größte Dichte hat. Die Ionen im Plasma werden durch ein elektri sches Feld beschleunigt, das sich aufgrund einer Gleichspannung aufbaut, die von einer Gleichstrom quelle 10 angegeben wird. Diese Gleichstromquelle 10 ist mit ihrem negativen Pol über zwei Induktivitäten 11, 12 mit der Elektrode 5 verbunden. Das elektrische Feld steht senkrecht auf der Oberfläche des Targets 3 und beschleunigt die positiven Ionen des Plasmas in Richtung auf dieses in der Prozeßkammer 25 bzw. im Behälter 24 angeordnete Target 3. Hierdurch werden mehr oder weniger viele Atome oder Partikel aus dem Target 3 herausgeschlagen, und zwar insbesondere aus den Gebieten 13, 14, wo die Magnetfelder ihre Maxima haben. Die zerstäubten Atome oder Partikel wandern in Richtung auf das Substrat 1, das sich unterhalb der Blende 26 am Boden des Behälters 25 befindet, wo sie sich als dünne Schicht 2 niederschlagen.

Für die Steuerung der dargestellten Anordnung kann ein Prozeßrechner vorgesehen werden, der Meßdaten verarbeitet und Steuerungsbefehle abgibt. Diesem Prozeßrechner können beispielsweise die Werte des gemessenen Partialdrucks in der Beschichtungskammer 15, 15a zugeführt werden. Aufgrund dieser und anderer Daten kann er zum Beispiel den Helium-Gasfluß an dem Behälter 16 oder den Argon-Gasfluß aus dem Behälter 17 über die in die Zuführungsleitung 22 eingeschal teten Ventile 18, 19 bzw. über die in die Zuführungs leitung 23 eingeschalteten Ventile 30, 31 regeln und die Spannung an der Kathode 5 einstellen. Der Pro zeßrechner ist auch in der Lage, alle anderen Variab len, zum Beispiel die Stromzufuhr zu überwachen. Da derartige Prozeßrechner bekannt sind, wird auf eine Beschreibung ihres Aufbaus verzichtet.

Eine deutliche Steigerung der Haftfestigkeit der Schicht 2 auf dem Polymethylmethacrylat-Substrat 1 ist das Ergebnis der Verwendung von Helium-Gas als als Prozeßgas, bis eine Schichtdicke erreicht ist (z. B. Aluminium 350-400 A), die für UV-Strahlung des anschließenden Argon-Prozesses undurchlässig ist.

Für den Sputterprozeß wird in einer ersten Phase des Prozesses ein Argon-Plasma während einer extrem kurzen Zeitdauer in der Beschichtungskammer 15, 15a aufrecht erhalten, und zwar so lange, bis der dabei erzeugte Sputterprozeß, insbesondere durch Ausgasung des PMMA-Substrats, vom oxidischen zum metallischen Prozeß übergeht, woraufhin für eine zweite Phase des Prozesses Helium-Gas in die Beschichtungskammer 15, 15a über die Zuführungsleitung 22 eingelassen wird, so daß ein Helium-Plasma gezündet werden kann, woraufhin für eine dritte Prozeßphase wiederum Argon- Gas über die Zuführungsleitung 23 in die Beschich tungskammer 15, 15a eingelassen und ein Argon-Plasma gezündet wird, wobei dieser Argon-Plasmaprozeß bis zum Erreichen der gewünschten Dicke der Schicht 2 aufrecht erhalten wird.

Um bei Abschluß der einzelnen Prozeßphasen (I-III) ein rasches Spülen bzw. Auspumpen der Beschichtungs kammer und der einzelnen Gaszuführungsleitungen 22, 23 bzw. des Anschlußstutzens 21 zu ermöglichen, ist eine besondere Vakuumpumpe 37 über Abpumpleitungen 38, 39 bzw. 40 an die Leitungen 22, 23 bzw. die Beschichtungskammer 15, 15a angeschlossen. Die Abpumpleitungen 38, 39 sind mit Ventilen 35, 36 ver sehen, die verhindern, daß bei geöffneten Ventilen 18, 30 Gas aus den Behältern 16, 17 direkt nach außen strömen kann. Um den Gasaustritt aus den Rohren 22, 23 zu mindern, sind Drosselventile 33, 34 in die Ab pumpleitungen 38, 39 eingeschaltet.

Beispiel: Beschichtung einer PMMA-CD mit Aluminium 1. Beschichtungsschritt: "Substrat-Target- Vorbereitung"

Es wird ein Ar-Plasma mit extrem kurzer Dauer so lange aufrecht erhalten, bis die Beschichtung vom oxidischen ins metallische Sputtern überge gangen ist.

Grund:

Während des Beschichtungsbeginnes gast PMMA stark aus. Ein Ar-Plasma zeigt sich auf grund des hohen Sputter-Yieldes unkritisch gegen Oxidation, und das Target bleibt trotz Ausgasung "sauber". Es findet keine nennenswerte Beschich tung statt. Durch die höhere Sputterrate beim Sputtern mit Ar wird die Oberfläche mit einem Hauch Al "versiegelt", so daß die Ausgasung des PMMA-Substrats verhindert wird.

2. Beschriftungsschritt: "Schutzschicht gegen UV- Strahlung"

Diese Schicht (ca. 400 A) wird mit He-Plasma aufgetragen. Da durch Schritt 1 der Kunststoff praktisch nicht mehr ausgast, kann sofort ein He-Plasma gezündet werden, ohne in den kriti schen oxidischen Zustand zu gelangen.

3. Beschichtungsschritt: "Normalschicht"

Durch Beschichtungsschritt 2 ist das PMMA-Sub strat vor der UV-Strahlung geschützt, und es kann ein herkömmliches Ar-Plasma gezündet wer den, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist.

Substratbelastung und Schichtdicken der einzelnen Schichten bei einer Gesamtdicke von ca. 1000 A (Gesamtbeschichtungszeit ca. 7 s).

Auflistung der Einzelteile

1 Substrat
2 Schicht, Aluminiumschicht
3 Target
4 U-förmiges Element
5 Elektrode
6 Joch
7 Dauermagnet
8 Dauermagnet
9 Dauermagnet
10 Gleichstromquelle
11 Induktivität
12 Induktivität
13 Sputtergraben (Gebiet)
14 Sputtergraben (Gebiet)
15, 15a Raum, Beschichtungskammer
16 Gasbehälter, Helium
17 Gasbehälter, Argon
18 Ventil
19 Ventil
21 Einlaßstutzen
22 Gaszuführungsleitung
23 Gaszuführungsleitung
24 Behälter
25 Behälter, Prozeßkammer
26 Blende
27 elektrischer Anschluß (Masse-Leitung)
28 elektrischer Anschluß
29 Kondensator
30 Ventil
31 Ventil
32 Kondensator
33 Drosselventil
34 Drosselventil
35 Ventil, Absperrventil
36 Ventil, Absperrventil
37 Vakuumpumpe
38 Abpumpleitung
39 Abpumpleitung
40 Abpumpleitung
41 Leitungsverzweigung
42 Leitungsverzweigung

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Kunststoffsubstrats (1), vorzugsweise eines Polymethylmethacrylat-Substrats, mit Metall, bestehend aus einer Gleichstromquelle (10), welche mit einer in einer evakuierbaren Be schichtungskammer (15, 15a) angeordneten Elek trode (5) verbunden ist, die elektrisch mit einem Target (3) in Verbindung steht, das zer stäubt wird und dessen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat (1), niederschlagen, wobei in die Beschichtungskammer (15, 15a) Prozeßgase einbringbar sind, wozu die Beschichtungskammer (15, 15a) über Gaszuführungsleitungen (22, 23) sowohl mit einem mit Argon-Gas als auch mit einem mit Helium-Gas gefüllten Behälter (16 bzw. 17) verbindbar ist, wozu in die Gaszuführungs leitungen (22, 23) Ventile (18, 19 bzw. 30, 31) eingeschaltet sind, über die die Gase dosiert in die Beschichtungskammer (15, 15a) einlaßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Beschichtungsschritt ein Argon-Plasma während einer extrem kurzen Dauer in der Beschichtungskammer (15, 15a) aufrecht erhalten wird, vorzugsweise bis der dabei erzeugte Sputterprozeß vom oxidischen zum metallischen Prozeß übergeht, daß für einen zweiten Beschich tungsschritt Helium-Gas in die Beschichtungs kammer (15, 15a) eingelassen und ein Helium- Plasma gezündet wird und daß für einen dritten Beschichtungsschritt Argon-Gas in die Beschich tungskammer (15, 15a) eingelassen und ein Argon-Plasma gezündet wird, wobei dieser Argon- Plasmaprozeß bis zum Erreichen der Soll-Schicht dicke aufrecht erhalten wird.

2. Vorrichtung zum Beschichten eines Kunststoff substrats (1), vorzugsweise eines Polymethyl methacrylat-Substrats, mit Metall, insbesondere mit Aluminium, bestehend aus einer Gleichstrom quelle (10), welche mit einer in einer evakuier baren Beschichtungskammer (15, 15a) angeordneten Elektrode (5) verbunden ist, die elektrisch mit einem Target (3) in Verbindung steht, das zer stäubt wird und dessen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat (1) niederschlagen, wobei in die Beschichtungskammer (15, 15a) Prozeßgase einbringbar sind, wozu die Beschichtungskammer (15, 15a) über Gaszuführungsleitungen (22, 23) sowohl mit einem Argon-Gas als auch mit einem mit Helium-Gas gefüllten Behälter (16 bzw. 17) verbindbar ist, wozu in die Gaszuführungsleitun gen (22, 23) Ventile (18, 19 bzw. 30, 31) einge schaltet sind, über die die Gase dosiert in die Beschichtungskanmer (15, 15a) einlaßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gaszuführungs leitung (22 bzw. 23) mit jeweils einer Abpump leitung (38 bzw. 39) verbunden ist, in die jeweils ein Absperrventil (35 bzw. 36) einge schaltet ist und die an eine Vakuumpumpe (37) anschließbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß in jede Abpumpleitung (38, 39) ein Drosselventil (33, 34) eingeschaltet ist, wobei dieses Drosselventil (33, 34) jeweils in den Leitungsabschnitt zwischen der Leitungsverzwei gung (41, 42) mit der zugehörigen Gaszuführungs leitung (22, 23) einerseits und dem Absperrven til (35, 36) andererseits angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung sowohl der den Gasbehälter (16, 17) unmittelbar nachge schalteten Gaseinlaßventile (18, 30) als auch der zwischen dem Einlaßstutzen (21) und den Leitungsverzweigungen (41, 42) in die Gaszufüh rungsleitungen (22, 23) eingeschalteten Ventile (19, 31) elektrisch und über einen Prozeßrechner erfolgt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der in die Abpumpleitungen (38, 39) eingeschalteten Dros selventile (33, 34) und Absperrventile (35, 36) elektrisch und über einen Prozeßrechner erfolgt.