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Dokumentenidentifikation DE102004061464A1 17.08.2006
Titel Feinlaminare Barriereschutzschicht
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Mehrtens, Andree, Dr., 31073 Grünenplan, DE;
Küpper, Thomas, 37581 Bad Gandersheim, DE;
Hamel, Margarete, Dr., 37136 Ebergötzen, DE;
Moelle, Christoph, Dr., 37581 Bad Gandersheim, DE
Vertreter Blumbach Zinngrebe, 65187 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 17.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004061464
Offenlegungstag 17.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.08.2006
IPC-Hauptklasse C03C 17/34(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C03C 17/245(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C23C 14/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C23C 16/40(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Um eine temperaturbeständige und hoch wirksame Barrierebeschichtung auf einem Substrat bereitzustellen und das Substrat auch bei hohen Temperaturen vor der Einwirkung schädlicher Gasbestandteile zu schützen, sieht die Erfindung ein beschichtetes Substrat vor, welches eine Barrierebeschichtung mit einer Vielzahl aufeinanderfolgender Einzelschichten umfaßt, die jeweils eine sich gegenüber einer benachbarten Einzelschicht unterscheidende Beschaffenheit aufweisen, wobei die Einzelschichten eine Schichtdicke von jeweils höchstens 50 Nanometern aufweisen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft allgemein Barriereschichten, insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung hochtemperaturstabiler Barriereschichten und damit herstellbare Erzeugnisse.

Glassorten sind von sich aus bis zu gewissen Temperaturen, insbesondere bis zum Erweichungspunkt oder der Glasübergangstemperatur beständig. Glas eignet sich daher hervorragend als transparentes, optisch hochwertiges Trennelement, beispielsweise um bestimmte Gasatmosphären vollständig, etwa in Form eines Glasgefäßes einzuschließen, oder sie von anderen Bereichen in Form eines Fensters zu trennen.

In Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung können jedoch bei hohen Temperaturen selbst bei Glas unerwünschte Reaktionen chemischer oder physikalischer Natur auftreten, bei welchen die Eigenschaften des Glases nachteilig beeinflußt werden. Beispielsweise kann die Oberfläche des Glases milchig trüb werden, so daß das Glas seine optischen Eigenschaften verändert. Auch kann das Glas zumindest teilweise kristallisieren, was dessen Festigkeit und Dichtigkeit nachteilig beeinflußt. So können Gläser und Glaskeramiken beispielsweise mit Schwefeloxiden, wie sie bei der Verbrennung fossiler Energieträger entstehen, angegriffen werden.

Um diese Effekte zu verhindern oder zu verlangsamen, können Barrierebeschichtungen aufgebracht werden, welche die Oberfläche des Glassubstrats vor der Einwirkung derartiger schädlicher Gasbestandteile schützen. Bekannt ist diesbezüglich unter anderem die Verwendung verschiedener Metalloxide. Derartige Schichten werden üblicherweise mit einem CVD- oder PVD-Verfahren abgeschieden.

Allerdings wachsen diese Schichten unter den in der Produktion üblicherweise verbreiteten Beschichtungsparametern, die im allgemeinen auf hohe Abscheideraten zur Senkung der Produktionskosten optimiert sind, in verschiedenen Wachstumsmoden, wie Säulen-, Insel- oder Lagenwachstum auf. In Abhängigkeit des Wachstumsmodus ergeben sich bestimmte Kristallstrukturen oder Kristallformen der aufwachsenden Schichten, oder die Schichten wachsen amorph, teilkristallin oder feinstkristallin, insbesondere submikrokristallin auf. In Abhängigkeit der Struktur kann es dabei trotz der vorhandenen Barrierebeschichtung zu einer Diffusion zumindest von Gasbestandteilen, beziehungsweise von bestimmten Gassorten durch die Barrierebeschichtung und einer Reaktion mit dem Glassubstrat kommen.

Das Aufbringen einer transparenten Schutzschicht auf eine Glasoberfläche zum Schutz vor unerwünschten chemischen Wechselwirkungen mit Gasatomen aus der unmittelbaren Umgebung ist beispielsweise aus der DE 42 08 376 A1 bekannt. Diese Schutzschicht basiert bevorzugt auf UV-transparenten Fluoriden zum Schutz der Innenwand eines Gasentladungsraumes eines UV-Hochleistungsstrahlers vor Reaktion mit den Gasen eines Füllgases.

Probleme ergeben sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Barriereschichten aber hinsichtlich der Temperaturfestigkeit einerseits und einer erhöhten Diffusion durch ein Säulenwachstum andererseits.

Aus der DE 102 42 848 ist es bekannt, die Morphologie einer Beschichtung mit optischer Funktion und/oder Schutzfunktion hinsichtlich von Temperatureinwirkungen zu stabilisieren, indem dünne Zwischenschichten eingefügt werden. Allerdings kann hier die Morphologie der einzelnen, von dünnen Zwischenschichten unterbrochenen Lagen der Beschichtung, die insbesondere als optisch wirksame und/oder kratzschützende Beschichtung gedacht ist, unter Umständen immer noch die Diffusion von Gasbestandteilen begünstigen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die einzelnen Lagen Säulen- oder Inselwachstum aufweisen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Barriereschutzschichten auf einem Substrat anzugeben, bei welcher die Barriereschicht eine möglichst maximale Barriereschutzwirkung für Gase oder speziell für eine bestimmte relevante Gassorte hat, so dass die Gasatome möglichst nur stark zeitverzögert durch die Schutzschicht hindurch zum Substrat gelangen können und damit eine möglichst lang anhaltende Barriereschutzwirkung erzielt wird. Diese Barriereschutzwirkung sollte auch beim Einsatz bei erhöhten Temperaturen möglichst lange anhalten. Diese Aufgabe, eine besonders temperaturbeständige und hoch wirksame Barrierebeschichtung bereitzustellen, wird bereits in höchst überraschend einfacher Weise durch ein beschichtetes Substrat und ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Substrats gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Lösungsansatz liegt insbesondere darin, eine gezielte Beeinflussung des Wachstumsmodus der aufwachsenden Barriereschutzschicht, beispielswiese beim PVD- oder CVD-Prozess so zu erreichen, dass sich eine Kristallstruktur und/oder Morphologie einstellt, die nur eine möglichst geringe Diffusion der relevanten Gassorte durch die Schicht hindurch auf das Substrat hinzu zulässt. Dieses wird in höchst überraschender Weise durch eine Unterteilung der Barriereschutzschicht in eine Vielzahl von sehr dünnen Einzelschichten unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder Morphologie erreicht.

Ein Ansatz zur Lösung der dieser Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung ist es daher auch, ein Verfahren bereit zu stellen, bei welchem eine Barriereschutzschicht derart hergestellt wird, daß beispielsweise eine für den Anwendungszweck einer Barriereschutzschicht unerwünschte Säulenstruktur oder andere ungünstige Wachstumsformen beim Aufwachsen der Schicht oder der Schichten vermieden werden.

Dieses kann dadurch erreicht werden, dass die aufzubringende mehr oder weniger dicke Barriereschutzschicht so oft in ihrem Wachstum unterbrochen wird, dass gar keine großen Kristallite mehr entstehen können. Jede angefangene dünne aufgebrachte Schicht wird sofort wieder durch eine neu angefangene Schicht anderer Zusammensetzung und/oder Struktur unterbrochen, so dass eine Vielzahl von sehr dünnen Einzelschichten entsteht, wobei jede Schicht durch die nachfolgende in ihrem Kristallwachstum unterbrochen wird. Somit können sich keine großen Kristallite und infolgedessen auch keine Morphologien mit bevorzugten Wachstumsrichtungen wie beispielsweise Säulen bilden.

Der Durchmesser der dabei entstehenden Kristallite liegt dabei bevorzugt in derselben Größe oder Größenordnung wie die Dicke der Einzelschichten und kann somit durch die Dicke der nacheinander aufgebrachten Einzelschichten gezielt eingestellt werden. Die Größe der entstehenden Kristallite (und damit die Dicke der aufzubringenden Einzelschichten) liegt dabei bevorzugt im submikrokristallinen Bereich und je nach Schichtmaterial bevorzugt unterhalb 50 nm.

Dementsprechend sieht die Erfindung ein beschichtetes Substrat vor, welches eine Barrierebeschichtung mit einer Vielzahl aufeinanderfolgender Einzelschichten umfaßt, welche jeweils eine sich gegenüber einer benachbarten Einzelschicht unterscheidende Beschaffenheit aufweisen, wobei die Einzelschichten eine Schichtdicke von jeweils höchstens 50 Nanometern haben.

Ein derartiges Substrat ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung einer Barrierebeschichtung auf einem Substrat herstellbar, bei welchem zur Herstellung der Barrierebeschichtung eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Einzelschichten abgeschieden wird, die jeweils eine sich gegenüber einer benachbarten Einzelschicht unterscheidende Beschaffenheit aufweisen und deren Schichtdicke jeweils höchstens 50 Nanometer beträgt.

Im Gegensatz zu bekannten Barriereschutzschichten wird erfindungsgemäß nicht eine Funktionsschicht durch eine oder einige wenige dünne Zwischenschichten untereilt, sondern die Funktionsschicht, also die gesamte Barriereschutzschicht, wird aus einer Vielzahl von sehr dünnen Einzelschichten aufgebaut. Durch diesen erfindungsgemäßen feinlaminaren Schichtaufbau wird nicht nur eine nachträgliche Umwandlung der Morphologie bei Temperatureinfluss verhindert, sondern es wird überdies von vorn herein bei der Herstellung gezielt eine Schichtmorphologie erzeugt, die von sich aus eine möglichst geringe Diffusionswirkung für bestimmte Gassorten durch die Schicht hindurch aufweist und diese Barriereschutzwirkung auch zu hohen Temperaturen hin beibehält. Die erhöhte Temperaturbeständigkeit einer erfindungsgemäßen Barrierebeschichtung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß derartig dünne Schichten nicht oder kaum noch zu Phasenumwandlungen oder anderweitigen Änderungen der Morphologie neigen.

Die Barrierewirkung der erfindungsgemäßen Beschichtung kann durch noch geringere Schichtdicken der Einzelschichten noch weiter verbessert werden. So ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein beschichtetes Substrat vorgesehen, bei welchem zumindest eine der Einzelschichten, bevorzugt mehrere Einzelschichten, insbesondere mehrere aufeinanderfolgende Einzelschichten, insbesondere auch alle Einzelschichten der Barrierebeschichtung eine Schichtdicke von höchstens 10 Nanometern aufweisen, beziehungsweise mit diesen Schichtdicken abgeschieden werden. Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung ist ein beschichtetes Substrat vorgesehen, bei welchem zumindest eine der Einzelschichten, bevorzugt mehrere Einzelschichten, insbesondere mehrere aufeinanderfolgende Einzelschichten, insbesondere auch alle Einzelschichten der Barrierebeschichtung eine Schichtdicke von höchstens 2 Nanometern, bevorzugt auch kleiner 2 Nanometern aufweisen, beziehungsweise mit derartigen Schichtdicken abgeschieden werden. Bei so geringen Einzelschichtdicken kleiner 10 Nanometer oder sogar kleiner 2 Nanometer sind die entstehenden Kristallite schon in der Größenordnung der Elementarzelle, so daß sich somit typische Korngrenzen in einer bestimmten Richtung gar nicht erst ausbilden können.

Besonders geeignet zur Herstellung der erfindungsgemäß sehr dünnen Einzelschichten sind verschiedene Vakuumabscheideverfahren. Es können beispielsweise auch mehrere Vakuumabscheideverfahren kombiniert werden. Unter einem Vakuumabscheideverfahren wird ein Verfahren verstanden, bei welchem eine Beschichtung in einer zumindest teilevakuierten Umgebung vorgenommen wird. Bevorzugt wird die Herstellung zumindest eines Teils der Einzelschichten mittels Vakuumabscheideverfahren wie plasmaimpuls-unterstützter Dampfphasenabscheidung und oder Aufsputtern. Beispielsweise erlaubt die plasmaimpulsunterstützte Dampfphasenabscheidung (PICVD) eine gute Kontrolle der Schichtdicke durch Abzählen der Plasmapulse, da die Anzahl der Plasmapulse im wesentlichen proportional zur abgeschiedenen Schichtdicke ist. Auch mittels Sputtern lassen sich gut reproduzierbar sehr dünne Schichten, wie sie erfindungsgemäß benötigt werden, herstellen.

Im aufgebrachten Schichtpaket der erfindungsgemäßen Barrierebeschichtung kann sich eine Einzelschicht der Barrierebeschichtung von einer benachbarten Einzelschicht durch ihre chemische Zusammensetzung und/oder durch ihre Morphologie unterscheiden. Eine Möglichkeit einer sich von einer benachbarten Schicht unterscheidenden Morphologie ist eine sich unterscheidende Kristallstruktur. Dabei können eine oder mehrere der Einzelschichten kristalline, insbesondere feinstkristalline oder teilkristalline Struktur aufweisen.

Noch eine Möglichkeit ist, daß die Einzelschichten sich durch ihren Wachstumsmodus unterscheiden. Beispielsweise können Schichten mit beginnendem Säulenwachstum und Lagenwachstum aufeinandergestapelt werden.

Die Barrierebeschichtung zumindest eines Teilschichtpakets kann so auch Einzelschichten gleicher Zusammensetzung, aber unterschiedlicher Morphologie umfassen, um eine gegenüber einer dicken Einzelschicht wesentlich verbesserte Barrierewirkung und Temperaturbeständigkeit zu erreichen.

Um derartige Schichtpakete herzustellen, können gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens aufeinanderfolgend Einzelschichten unterschiedlicher Morphologie vorteilhaft durch Wechsel der Prozeßparameter von einer Schicht zu einer nachfolgenden Schicht abgeschieden werden. Mögliche Beispiele der Variation der Prozeßparameter sind unter anderem:

  • – unterschiedlicher Partialdruck des Precursorgases bei PICVD-Beschichtung,
  • – unterschiedliche Temperatur durch unterschiedliche
  • – Mikrowellenleistung beim PICVD-Verfahren,
  • – Änderung der Pulsenergie und/oder Pulsdauer und/oder des Taktverhältnisses der Mikrowellenpulse bei PICVD-Beschichtung,
  • – eine Veränderung der Abscheiderate,
  • – die Änderung der Gasdichte bei Kathodenzerstäubung.

Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zumindest eine der Einzelschichten amorphe Struktur aufweist. Sollte eine unter den eingestellten Prozessparametern entstehende Einzelschicht von sich aus amorph aufwachsen, können sich zwar auch keine Kristallstrukturen wie Säulen ausbilden, allerdings ist die Diffusionswirkung von amorphen Schichten oft nicht so gut wie die von kristallinen Schichten geeigneter Morphologie, da amorphe Strukturen oft wegen ihrer geringeren Packungsdichte von sich aus nicht so dicht sind wie die von kristallinen Strukturen und daher auf Grund ihrer erhöhten Porosität auch nicht so hohe Diffusionssperrwirkung gegenüber Gasatome haben. Ein besonderer Vorzug einer amorphen Einzelschicht ist aber, daß sie eine besonders gute Unterbrechung des Wachstumsmodus benachbarter Einzelschichten bewirkt. Amorphe Schichten sind daher besonders gut in Verbindung mit anderen benachbarten kristallinen oder teilkristallinen Schichten geeignet.

Dementsprechend sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ein beschichtetes Substrat vor, bei welchem die Barrierebeschichtung zumindest ein Teilschichtpaket mit amorphen und benachbarten, zumindest teilkristallinen, bevorzugt feinstkristallinen Schichten umfaßt. Dazu kann als Weiterbildung auch zumindest ein Teilschichtpaket der Barrierebeschichtung mit zwei zumindest teilkristallinen, bevorzugt feinstkristalllinen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung, zwischen denen jeweils eine amorphe Schicht angeordnet ist, abgeschieden werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht weiterhin vor, daß die Barrierebeschichtung zumindest ein Teilschichtpaket mit abwechselnden Schichten unterschiedlicher Beschaffenheit umfaßt. Derartige als Wechselschichten ausgebildete Schichtpakete sind besonders leicht durch abwechselndes Abscheiden zweier Schichtarten herstellbar.

Besonders bevorzugt ist die Barrierebeschichtung transparent. Diese kann dann insbesondere in Verbindung mit transparenten Substraten eingesetzt werden. Um eine optisch unauffällige Barrierebeschichtung zu erreichen, kann die Transparenz der Barrierebeschichtung vorteilhaft auch der Transparenz des Substrats entsprechen. Es ist dabei gelungen, Barrierebeschichtungen bereitzustellen, bei welchen die Lichttransmission durch ein mit der Barrierebeschichtung beschichtetes Substrat von der Transmission eines Substrats ohne die Barrierebeschichtung im sichtbaren Spektralbereich um höchstens 5% abweicht.

Eine optische Unauffälligkeit der Barrierebeschichtung kann insbesondere auch erreicht werden, indem der Brechungsindex der Barrierebeschichtung dem Brechungsindex der Substratoberfläche entspricht oder von diesem um höchstens 5 % abweicht. Als Brechungsindex der Barrierebeschichtung ist dabei ein effektiver Brechungsindex zu verstehen. Der effektive Brechungsindex ergibt sich dabei aus dem Zusammenwirken der Einzelschichten. Im allgemeinen kann der effektive Brechungsindex beispielsweise als mit der Schichtdicke der Einzelschichten gewichteter Mittelwert der Brechungsindizes der Einzelschichten angesetzt werden.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann die Dicke zumindest eines Teilschichtpakets und dessen effektiver Brechungsindex so bemessen sein, daß die Barrierebeschichtung entspiegelnd wirkt. Dazu kann insbesondere ein Entspiegelungsschichtsystem mit der Barrierebeschichtung vorgesehen sein, wobei das Gesamtschichtsystem des Entspiegelungsschichtsystem entspiegelnd wirkt und zumindest eine Schicht des Entspiegelungsschichtsystems ein Teilschichtpaket mit einer Vielzahl dünner aufeinanderfolgender Schichten mit einer durchschnittlichen Dicke von höchstens 50 Nanometern umfaßt oder durch ein solches Teilschichtsystem mit einer Vielzahl aufeinanderfolgender Einzelschichten von durchschnittlich höchstens 50 Nanomenter, bevorzugt durchschnittlich 10 Nanometern Dicke ersetzt ist, wobei dessen effektiver Brechungsindex so bemessen ist, daß das Gesamtschichtsystem mit der Barrierebeschichtung insgesamt entspiegelnd wirkt.

Um die Anforderungen der Barrierebeschichtung an Temperaturbeständigkeit und Barrierewirkung zu erfüllen, enthält besonders bevorzugt zumindest eine der Einzelschichten, bevorzugt alle Einzelschichten zumindest ein anorganisches Oxid. Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, anorganische Oxidschichten abzuscheiden. Geeignete Oxide sind insbesondere Tio2, ZrO2, SiO2, Al2O3, Nb2O5, Ta2O5, HfO2. Selbstverständlich können diese Oxide auch als Mischoxid-Einzelschichten miteinander kombiniert abgeschieden werden.

Die erhöhte Temperaturbeständigkeit der erfindungsgemäßen Barrierebeschichtung basiert, wie bereits oben ausgeführt wurde, auf dem Effekt, daß derartig dünne Schichten einer erfindungsgemäßen Barrierebeschichtung aus entsprechend kleinen Kristalliten auch unter dauernder Temperaturbelastung kaum noch zu Änderungen der Morphologie neigen und daher gegenüber dickeren Schichten deutlich stabiler sind. Durch die geringe Größe der Kristallite wird auch eine besonders gute Barrierewirkung erreicht, da große Grenzflächen an den Kristalliten, die in Richtung auf das Substrat verlaufen, vermieden werden. Auf dieser Erkenntnis beruht auch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, mit welcher amorphe Substratmaterialien in überraschend einfacher Weise mit einer Barriereschicht versehen werden können.

Dazu sieht die Erfindung ein Substrat mit Barriereschicht vor, wobei das Substrat eine amorphe Struktur aufweist, und wobei auf zumindest einer Fläche des Substrats eine Barriereschicht mit kristallisiertem Substratmaterial mit einer durchschnittlichen Kristallitgröße von höchstens 50 Nanometern angeordnet ist. Ein solches Substrat mit Barriereschicht ist mit einem Verfahren herstellbar, bei welchem ein Substrat mit amorpher Struktur bereitgestellt und an zumindest einer Fläche des Substrats eine Barriereschicht durch Kristallisieren des Substratmaterials mit entsprechend kleinen Kristallitgrößen erzeugt wird.

Im Unterschied zu den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird also hier die Barriereschicht aus dem Substratmaterial selbst gebildet. Amorphe Schichten weisen außerdem gegenüber kristallinen Schichten oftmals eine schlechtere Barrierewirkung auf. Eine Barrierewirkung für amorphe Substrate wird dann erfindungsgemäß in überraschend einfacher Weise durch Umwandlung einer dünnen Oberflächenschicht in eine kristalline Phase erreicht.

Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann eine noch bessere Barrierewirkung mit noch kleineren Kristalliten erreicht werden. So ist gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Barriereschicht mit kristallisiertem Substratmaterial Kristallite von durchschnittlich höchstens 10 Nanometern oder sogar von nur höchstens 2 Nanometern aufweist.

Erfindungsgemäß besteht außerdem wiederum die Möglichkeit, eine derartige Barriereschicht mit einer zusätzlichen Barrierebeschichtung gemäß den anderen Ausführungsformen der Erfindung mit feinlaminarem Aufbau, beziehungsweise einer Abfolge dünner Einzelschichten weiter zu verbessern. Diese Ausführungsform der Erfindung läßt sich in besonders vorteilhafter Weise bei einem Substrat mit amorphem Metalloxid realisieren. Derartige Substrate, wie insbesondere amorphes Siliziumoxid werden vielfach dort eingesetzt, wo es sowohl auf Transparenz, als auch auf Temperaturbeständigkeit ankommt. Mittels der Erfindung können dann derartige Substrate in einfacher Weise durch Kristallisieren von amorphem Metalloxid, beispielsweise durch Kristallisieren von amorphem Siliziumoxid im oberflächennahen Bereich des Substrats mit einer Diffusionsbarriere versehen werden.

Eine einfache und wirkungsvolle Methode, um eine Kristallisierung an der Oberfläche zu bewirken, ist das oberflächliche Aufheizen der betreffenden Fläche des Substrats. Bei einem hinreichend großen Temperaturgradienten zu inneren Bereichen des Substrats beginnt im Bereich der Oberfläche eine Kristallisation, während die übrigen Bereiche amorph oder zumindest weitgehend amorph bleiben.

Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist das Plasmabehandeln der Fläche des Substrats. Auf diese Weise wird ein lokaler und schneller Energieeintrag an der Oberfläche bewirkt. Durch die hohen Plasmatemperaturen läßt sich so die Aufheizung auf sehr oberflächennahe Bereiche beschränken, in welchen dann eine Kristallisation stattfindet. Ein Beispiel für eine solche Plasmabehandlung ist insbesondere das reaktive Plasmaätzen der Fläche des Substrats.

Hinsichtlich der Auswahl der Substratmaterialien gibt es kaum Einschränkungen. Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aber insbesondere in Verbindung mit temperaturbeständigen Materialien, wie Glas, Glaskeramik, Keramik, Metall, verschiedene Halbleiter oder kristalline Werkstoffe.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.

Es zeigen:

1A bis 1C verschiedene Wachstumsmodi von Beschichtungen, wobei 1C eine erfindungsgemäße Beschichtung zeigt,

2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß beschichteten Substrats mit einem Wechselschichtsystem als Barrierebeschichtung,

3 eine Ausführungsform der Erfindung mit amorphen Einzelschichten,

4 eine Abwandlung des in 3 dargestellten Beispiels,

5A bis 5D berechnete Spektralkurven der Transmission verschiedener erfindungsgemäßer Barrierebeschichtungen, und

6 eine weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Barriereschicht in Form einer kristallisierten Substratoberfläche.

In den 1A bis 1C sind verschiedene Barrierebeschichtungen dargestellt, wobei 1C eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen feinlaminaren Barrierebeschichtung zeigt. 1A zeigt eine Einzelschicht als Barrierebeschichtung 5 auf einer Seite 2 eines Substrats 1. Diese Einzelschicht zeigt, wie dies häufig in der Praxis zu beobachten ist, Säulenwachstum. Dabei bilden sich auf der beschichteten Fläche 2 des Substrats 1 säulenförmige Kristallite 7 mit Korngrenzen 9, welche sich von der Substratfläche 2 ausgehend in Richtung zur Oberfläche der Barrierebeschichtung 5 erstrecken. Diese gerade in Richtung auf das Substrat hin orientierten Korngrenzen bei Säulenwachstum sind aber für eine angestrebte hohe Diffusionsbarrierewirkung von Gasatomen äußerst ungünstig, da sich die Gasatome bevorzugt entlang dieser Korngrenzen bewegen.

1B zeigt den Idealfall einer Barrierebeschichtung 5 mit einer Einzelschicht. Bei dieser Barrierebeschichtung liegt Lagenwachstum vor, wobei die Kristallränder oder Korngrenzen bevorzugt parallel zur Substratoberfläche verlaufen, so dass diffundierende Gasatome keine bevorzugten Diffusionskanäle in Richtung auf das Substrat hin, sondern nur senkrecht dazu haben. Dieser Fall des Lagenwachstums ist in der Praxis allerdings kaum zu erreichen. Um ein sauberes Lagenwachstum zu erhalten, sind unter anderem im allgemeinen sehr kleine Abscheideraten erforderlich, so daß eine wie in 1B dargestellte Beschichtung bereits aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten uninteressant ist.

1C zeigt eine erfindungsgemäße Barrierebeschichtung 11 auf dem Substrat 1, mit welcher ein wie in 1B dargestelltes Lagenwachstum in seinen Eigenschaften angenähert werden kann. Die näherungsweise Realisierung des angestrebten Lagenwachstums wird erfindungsgemäß durch das Beschichten mit einem feinlaminaren Vielfachschichtsystem mit dünnen Einzelschichten 11-1, 11-2,..., 11-N erreicht. Dabei werden durch die entstehenden Grenzflächen bevorzugt Grenzflächen gebildet, die parallel zur Substratoberfläche 2 verlaufen und somit für eine Diffusion von Gasatomen durch die Beschichtung hindurch in Richtung auf das Substrat gerade sehr ungünstig sind.

Jede Einzelschicht der Vielzahl aufeinanderfolgender Einzelschichten 11-1, 11-2,..., 11-N, der Barrierebeschichtung 11 weist darüber hinaus jeweils eine sich gegenüber einer benachbarten Einzelschicht unterscheidende Beschaffenheit auf, wobei die Einzelschichten eine Schichtdicke von jeweils höchstens 50 Nanometern haben. Bevorzugt ist die Schichtdicke zumindest eines Teils der Einzelschichten 11-1, 11-2,..., 11-N kleiner als 10 Nanometern. Insbesondere können einige oder alle Einzelschichten 11-1, 11-2,..., 11-N sogar höchstens 2 Nanometern, bevorzugt auch kleiner 2 Nanometern aufweisen.

Zur Herstellung einer wie in 1C dargestellten Barrierebeschichtung mit eine Vielzahl von aufeinanderfolgend abgeschiedenen Einzelschichten 11-1, 11-2,..., 11-N, die jeweils eine sich gegenüber einer benachbarten Einzelschicht unterscheidende Beschaffenheit aufweisen und deren Schichtdicke jeweils höchstens 50 Nanometer beträgt, können bevorzugt Vakuumabscheideverfahren, wie Sputtern oder PICVD eingesetzt werden. Es können dabei auch verschiedene Verfahren miteinander kombiniert werden. Besonders bevorzugt werden als Einzelschichten 11-1, 11-2,..., 11-N anorganische Oxidschichten abgeschieden. Geeignete Schichtmaterialien sind dabei unter anderem TiO2, ZrO2, SiO2, Al2O3, Nb2O5, Ta2O5, HfO2. Eine oder mehrere der Einzelschichten können dabei beispielsweise auch Mischoxide enthalten. Vorzugsweise wird die Barrierebeschichtung, insbesondere in Verbindung mit Glas, Glaskeramik oder einem kristallinen Werkstoff, wie etwa Kalziumfluorid als Substratmaterial transparent abgeschieden. Selbstverständlich ist die Erfindung aber auch für andere Substratmaterialien, insbesondere für temperaturbeständige Materialien, wie Keramik, Metalle oder Halbleiter geeignet.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines beschichteten Substrats mit einer Barrierebeschichtung 11 mit einem feinlaminaren Vielfachschichtsystem welches abwechselnde Schichten 12, 13 unterschiedlicher Beschaffenheit umfaßt. Die Schichten 12, 13 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils zumindest teilkristalline, insbesondere kristalline, besonders bevorzugt feinstkristalline Struktur auf.

Die Schichten 12 können sich dabei beispielsweise von den zu ihnen jeweils benachbarten Schichten 13 durch ihre chemische Zusammensetzung unterscheiden. Wird PICVD oder ein anderes chemisches Dampfabscheideverfahren eingesetzt, kann zur Herstellung der Schichten in diesem Fall beispielsweise während der Beschichtung die Prozeßgaszusammensetzung geändert werden, so daß jeweils unterschiedliche Metalloxide abgeschieden werden.

Ebenso können die jeweils gleichartigen Schichten 12 von den zu diesen benachbarten, ebenfalls jeweils gleichartigen Schichten 13 in ihrer Morphologie verschieden sein. So ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Schichten 11, 12 gleichartige chemische Zusammensetzung aufweisen, sich aber -bedingt etwa durch eine Veränderung der Prozeßparameter beim Abscheiden in ihrer Kristallstruktur unterscheiden. Auch können die Schichten jeweils zu den benachbarten Schichten hinsichtlich ihres Wachstumsmodus verschieden sein. So können beispielsweise die Schichten 12 in beginnendem Säulenwachstum und die Schichten 13 im Lagenwachstum aufwachsen.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß beschichteten Substrats 1, bei welchem die Barrierebeschichtung 11 Einzelschichten 14 mit amorpher Struktur umfaßt. Insbesondere umfaßt die Barrierebeschichtung hier amorphe Einzelschichten 14 und benachbarte, zumindest teilkristalline, bevorzugt feinstkristallinen Einzelschichten 15. Dementsprechend ist auch bei diesem Beispiel die Barrierebeschichtung als Wechselschichtsystem mit abwechselnden Schichten 14, 15 aufgebaut, wobei die Schichten 14 ebenso wie die Schichten 15 jeweils gleichartig sind.

Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung können sich die amorphen Schichten 14 von den jeweils benachbarten Schichten 15 durch ihre chemische Zusammensetzung unterscheiden. Ebenso können die Schichten 14 und 15 aber auch chemisch gleichartig sein und sich durch ihre Morphologie -amorph und kristallin- unterscheiden. So können die Schichten 14 beispielsweise aus amorphem Siliziumoxid und die Schichten 15 aus kristallisiertem Siliziumoxid aufgebaut sein. Die amorph abgeschiedenen Schichten 14 können dann wirkungsvoll verhindern, daß sich in der Beschichtung 11 größere Kristallite bilden.

In 4 ist eine Variante des in 3 dargestellten Beispiels dargestellt. Auch bei dem in 4 dargestellten Beispiel umfaßt die Barrierebeschichtung 11 amorphe Einzelschichten 14. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist die Barrierebeschichtung jedoch nicht als Wechselschichtsystem mit zwei alternierenden Schichtarten, wie 2 oder 3 aufgebaut.

Vielmehr ist die Barrierebeschichtung 11 aus einem Schichtstapel mit zwei zumindest teilkristallinen, bevorzugt feinstkristalllinen Schichten 15, 16 unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebaut, zwischen denen jeweils eine amorphe Schicht angeordnet ist. Der feinlaminare Aufbau des Vielfachschichtpaketes der Barrierebeschichtung 11 mit zwei feinstkristallinen Schichten 15, 16 unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, die jeweils durch eine amorphe Schicht voneinander getrennt sind, ist vorteilhaft, um unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den beiden kristallinen Strukturen der Schichten 15, 16, z.B. die Bildung von Mischkristallen, zu unterbinden. Die amorphe Zwischenschicht 14 kann dabei der Zusammensetzung einer der beiden kristallinen Schichten entsprechen oder auch eine andere Zusammensetzung haben.

Die 5A bis 5C zeigen errechnete spektrale Verläufe der Transmission durch erfindungsgemäß beschichtete Substrate. Zusätzlich eingezeichnet ist die Transmission eines unbeschichteten Glassubstrates, die vereinfacht als über den dargestellten Wellenlängenbereich konstant angenommen wurde. Die in den 5A bis 5C dargestellten Beispiele zeichnen sich unter anderem dadurch aus, daß die Transparenz des beschichteten Substrats im wesentlichen der Transparenz eines Substrats ohne die Barrierebeschichtung entspricht. Dabei weicht die Lichttransmission durch ein beschichtetes Substrat von der Transmission eines Substrats ohne die Barrierebeschichtung im sichtbaren Spektralbereich um höchstens 5% ab. Auf diese Weise wird besonders vorteilhaft eine optische Unauffälligkeit der Barrierebeschichutng erreicht.

5A zeigt dabei berechnete Spektralkurven in Transmission von feinlaminaren Schichtpaketen in Gestalt eines Wechselschichtpakets aus zwei kristallinen Schichtmaterialien. Die Barrierebeschichtung besteht dabei in allen Beispielen aus alternierenden Schichten aus SiO2 (n = 1,455) und Al2O3 (n = 1,62) mit 20, 40, 80 und 160 Schichten auf Glas mit einem Brechungsindex von n = 1,52. Die Schichtdicken der Einzelschichten betragen im Beispiel der 5A jeweils 0,1 QWOT (Quarter Wave Optical Thickness) bei 550 Nanometer Wellenlänge, also je 9,45 nm für SiO2 und je 8,5 nm für Al2O3, Die Gesamtdicken der sich daraus ergebenden Schichtpakete betragen 180 nm, 360 nm, 720 nm und 1440 nm. Die Transmission entspricht annähernd der Transmission des unbeschichteten Glassubstrates (ca. 92%).

5B zeigt berechnete Spektralkurven in Transmission von feinlaminaren Schichtpaketen aus zwei kristallinen Schichtmaterialien am Beispiel SiO2 (n = 1,455) und TiO2 (n = 2,40) mit 20 und 40 Schichten auf einem hochbrechenden Glas (n = 1,67). Die Schichtdicken der Einzelschichten sind in den vier berechneten Vielfachschichtpaketen der Barrierebeschichtung dabei so angepasst worden, dass sich jeweils eine möglichst hohe Transmission im für das menschliche Auge maximal empfindlichen Bereich um 550 nm herum ergibt. Dabei ergaben sich folgende Schichtdicken:

  • a) Für den ersten 20-Schichter: je 0,3 QWOT SiO2, entsprechend 27 nm, und je 0,1 QWOT TiO2, entsprechend 6 nm, Gesamtschichtdicke ca. 340 nm.
  • b) Für den zweiten 20-Schichter: je 0,1 QWOT für beide Materialien, entsprechend 9 nm SiO2 und 6 nm TiO2, Gesamtschichtdicke ca. 150 nm.
  • c) Für den ersten 90-Schichter: 0,2 QWOT SiO2, entsprechend 19 nm, und für TiO2 je 0,1 QWOT, entsprechend 6 nm, Gesamtschichtdicke etwa 500 nm.
  • d) Für den zweiten 40-Schichter: je 0,1 QWOT für beide Materialien, entsprechend 9 nm SiO2 und 6 nm TiO2, Gesamtschichtdicke ca. 300 nm

In 5C sind berechnete Spektralkurven in Transmission von feinlaminaren Schichtpaketen einer erfindungsgemäßen, als Wechselschichtsystem mit alternierenden Einzelschichten aus zwei kristallinen Schichtmaterialien am Beispiel SiO2 (n = 1,455) und TiO2 (n = 2,40) mit 40 und 80 Schichten auf einem hochbrechenden Glas (n = 1,67) dargestellt. Die Schichtdicken der Einzelschichten betragen dabei jeweils genau die Hälfte der Schichtdicken in 5B. Im Unterschied zu den in 5B dargestellten Beispielen sind dafür die Anzahlen der Einzelschichten jeweils verdoppelt worden, so daß die Gesamtschichtdicken der Barrierebeschichtungen denen der in 5B gezeigten Beispielen entsprechen.

Es ergeben sich dabei die folgenden Schichtdicken:

  • a) Für den ersten 40-Schichter: je 0,15 QWOT SiO2, entsprechend 14 nm, und je 0,05 QWOT TiO2, entsprechend 3 nm, Gesamtschichtdicke ca. 340 nm.
  • b) Für den zweiten 40-Schichter: je 0,05 QWOT für beide Materialien, entsprechend 4,5 nm SiO2 und 3 nm TiO2, Gesamtschichtdicke ca. 150 nm
  • c) Für den ersten 80-Schichter: 0,1 QWOT SiO2, entsprechend 9 nm, und für TiO2 je 0,05 QWOT, entsprechend 3 nm, Gesamtschichtdicke knapp 500 nm.
  • d) Für den zweiten 80-Schichter: je 0,05 QWOT für beide Materialien, entsprechend 4,5 nm SiO2 und 3 nm TiO2, Gesamtschichtdicke ca. 300 nm.

Anhand der in den 5A bis 5C dargestellten Transmissionsverläufe wird im folgenden gezeigt, dass es möglich ist, die Auswahl der verwendeten Schichtmaterialien für die Einzelschichten erfindungsgemäßer Barrierebeschichtungen so zu wählen, dass die Transmission des Gesamtsystems im sichtbaren Bereich der eines unbeschichteten Glassubstrates nach Möglichkeit entspricht, so dass durch die zusätzliche Barriereschutzbeschichtung keine wesentlichen Nachteile in Hinsicht auf die Transmission des beschichteten Substrates im Vergleich zu einem unbeschichteten Substrat entstehen.

So ist es beispielsweise vorteilhaft, Materialien für die Einzelschichten zu wählen, deren Brechwert in der Nähe des Brechwertes des verwendeten Glassubstrates liegen. Mit einem typischen Brechwert n von beispielsweise ca. n = 1,46 für Quarzglas, n = 1,52 für Floatglas und n = 1,6 – 1,7 für höherbrechende Gläser kommen insbesondere die beiden Schichtmaterialien SiO2 mit n = 1,42 bis 1,46 (je nach Beschichtungsverfahren und Prozeßparametern) und Al2O3 (mit typischerweise n = 1,62) in Frage.

Mit Hilfe dieser beiden Materialien lassen sich leicht Schichtdickenkombinationen aus feinlaminaren Vielfachschichtpaketen mit dünnen, aufeinanderfolgenden Einzelschichten mit Schichtdicken von höchstens 50 Nanometern, insbesondere von höchstens 10 Nanometern oder sogar höchstens 2 Nanometern finden, deren Transmission im sichtbaren Bereich der des unbeschichteten Glassubstrates sehr nahe kommt. Als Transmission von unbeschichtetem Glas wird ungefähr 92%, je nach Glassorte angenommen. Dabei liegt die Transmission im sichtbaren Bereich einigermaßen unabhängig von der Anzahl der Schichtdicken und der Dicken der Einzelschichten immer in demselben Bereich wie das unbeschichtete Glassubstrat, wie in 5A gezeigt ist. Die Dicken der Einzelschichten könnten in 5A auch noch weiter verringert werden bei gleichzeitiger Beibehaltung der Gesamtschichtdicken der Schichtpakete, wenn dies zu einer weiteren Verbesserung der Barriereschutzwirkung führt, ohne dass sich dieses auf die Höhe der Transmission im sichtbaren Bereich nachteilig auswirken würde.

Kann ein Schichtmaterial durch Änderungen in den Prozessparametern beim Beschichtungsvorgang in zwei unterschiedlichen Modifikationen abgeschieden werden, z.B. in kristalliner und amorpher Modifikation wie beispielsweise feinstkristallines Quarz und glasartiges amorphes SiO2, so können ebenfalls sehr leicht feinlaminare Vielfachschichtpakete gefunden werden, die nahezu keine Auswirkung auf die Transmission des beschichteten Glassubstrates haben, wenn der Brechwert der beiden Beschichtungsmaterialien in der Nähe des Brechwertes des Substrates liegt, in diesem Beispiel also auf Quarzglas oder auf einer anderen niedrigbrechenden Glassorte.

Können keine zwei Modifikationen eines Materials mit dem des Glassubstrates sehr ähnlichen Brechwerten gefunden werden, so können zwei Materialien mit einigermaßen ähnlichen Brechwerten (siehe 5A) oder auch zwei Materialien mit deutlich unterschiedlichen Brechwerten (siehe 5B und 5C) verwendet werden, wenn dabei die jeweiligen Schichtdicken der Einzelschichten in Hinsicht auf die optische Wirkung des Gesamtsystems angepasst sind. So ist es möglich, ein hochbrechendes Glassubstrat mit beispielsweise n = 1,67 in einem feinlaminaren Vielfachschichtsystem mit amorphen oder feinstkristallinen SiO2-Schichten mit beispielsweise n = 1,45 und mit feinstkristallinen TiO2-Schichten mit beispielsweise n = 2,40 zu beschichten, ohne dass die Transmission des Glassubstrates dadurch spürbar nachteilig beeinflusst wird.

Dabei müssen die Einzeldicken im Vielfachschichtpaket jeweils so gewählt werden, dass die Transmission im für das menschliche Auge maximal empfindlichen Bereich um 550 nm herum möglichst hoch ist, während eine leichte Abnahme der Transmission zu kürzeren oder längeren Wellenlängen hin den Gesamteindruck der Transparenz des beschichteten Glassubstrats für einen Betrachter nicht so auffällig beeinflusst, so wie es in 5B für einige theoretisch berechnete mögliche Ausführungsformen beispielsweise gezeigt ist.

Der Schichtdickenbereich der verwendeten Einzelschichten ist dabei nicht an einen vorgegebenen Bereich gebunden, um eine bestimmte optische Wirkung des beschichteten Substrates zu erreichen. Insbesondere können die Einzelschichtdicken bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl der Einzelschichten auch verringert werden, wenn dieses zu einer Verbesserung der gesamten Diffusionsbarrierewirkung führen sollte.

Anhand von 5C ist gezeigt, dass sich die optische Wirkung der vier berechneten Ausführungsbeispiele auf die Transmission des Substrates hin praktisch nicht ändert, wenn die Schichtdicken der Einzelschichten in den vier Ausführungsbeispielen jeweils halbiert, die Anzahl der Einzelschichten dabei aber jeweils verdoppelt wird. Obwohl die optische Wirkung in den vier Beispielen jeweils annähernd identisch ist, kann der Einfluss auf die jeweilige Höhe der Diffusionsbarrierewirkung des Gesamtschichtsystems aufgrund der zunehmenden Anzahl von Einzelschichten jedoch erheblich sein.

Anders als in den 5A bis 5C dargestellt, können die Schichten aber auch so gewählt werden, daß die Barrierebeschichtung oder ein Entspiegelungsschichtsystem mit der Barrierebeschichtung entspiegelnd wirkt und damit sogar eine Steigerung der Transmission erzielt werden kann. Dazu wird ein entspiegelndes Gesamtschichtsystem hergestellt, bei welchem zumindest eine Schicht des Entspiegelungsschichtsystems durch ein erfindungsgemäßes Teilschichtpaket aus vielen dünnen, beziehungsweise feinlaminaren Einzelschichten realisiert wird, dessen effektiver Brechungsindex so bemessen ist, daß das Gesamtschichtsystem mit der Barrierebeschichtung insgesamt entspiegelnd wirkt. Die Dicke der Einzelschichten des Teilschichtsystems beträgt dabei durchschnittlich höchstens 50 Nanometer, bevorzugt sogar nur höchstens 10 Nanometer.

Dazu können die Schichten beispielsweise in ihrer Dicke und Zusammensetzung so gewählt werden, daß die gesamte Barriereschicht in ihrem Schichtaufbau Bedingungen entspricht, dass sie in ihrer optischen Gesamtwirkung insbesondere wieder im Bereich um 550 Nanometern Wellenlänge ein Maximum an Transmission erreicht. Dieses kann erfindungsgemäß erreicht werden, indem die für ein Entspiegelungssystem notwendige Schichtfolge zumindest teilweise durch eine Vielzahl von feinlaminaren Schichten ersetzt wird. Hierbei können zumindest teilweise die im Entspiegelungssystem notwendigen Schichten der Schichtfolge durch Vielfachschichten mit einem effektiven Brechungsindex, der sich aus dem Mittel der mit den Schichtdicken gewichteten Brechungsindizes der Vielfachschichten ergibt, ersetzt werden, ohne dass sich die optische Gesamtwirkung gegenüber dem Ausgangsdesign, also ohne Unterteilung in viele Einzelschichten merklich ändert. Die Diffusionssperrwirkung dieser erfindungsgemäß durch viele Einzelschichten realisierten Schichtfolge kann aber gegenüber dem betrachteten Ausgangsdesign, welches standardmäßig aus nur wenigen dickeren Schichten besteht, merklich verbessert sein.

Als Beispiel kann als Entspiegelungssystem von einem Schichtsystem mit vier Schichten ausgegangen werden, welches dem Fachmann bekannt ist und sich beispielsweise mit den beiden Schichtmaterialien TiO2 (n = 2,40) und SiO2 (n = 1,445) auf einem Glassubstrat mit einem Brechungsindex von n = 1,52 verwirklichen lässt. Eine hierzu mögliche Schichtdickenabfolge der vier Schichten kann beispielsweise sein (Angaben der optischen Schichtdicke der Einzelschichten in QWOT, dabei bezogen auf eine Referenzwellenlänge von 550 nm):

Substrat (n = 1,52)

0,216 QWOT TiO2 (12,5 nm)

0,384 QWOT SiO2 (36,3 nm)

2,030 QWOT TiO2 (116,8 nm)

0,961 QWOT SiO2 (90,8 nm)

Das Schichtsystem besteht damit aus 4 Schichten mit einer Gesamtdicke von 256 nm.

Die 5D zeigt den errechneten spektralen Verlauf für dieses beispielhaft ausgewählte Entspiegelungssystem, welches im sichtbaren Bereich von etwa 420 nm bis oberhalb von 700 nm entspiegelt und hierbei einen mittleren Transmissionswert von etwa 95,6 gegenüber dem unbeschichteten Glassubstrat (mit einer Transmission von 92,1% bei Brechungsindex n = 1,52) erreicht.

Die Rückseite des Substrates wurde bei dieser Betrachtung unbeschichtet gelassen so dass eine Transmission oberhalb von 96% in diesem Beispiel prinzipiell nicht erreicht werden kann.

Es ist erfindungsgemäß nun möglich, einzelne oder sogar alle Schichten dieses Schichtsystems durch eine Abfolge von vielen Einzelschichten, also einem erfindungsgemäßen feinlaminaren Aufbau von Einzelschichten zu ersetzen, bei denen die betrachtete Schicht durch ein Schichtsystem mit einem effektiven Brechungsindex, der sich aus dem Mittel der mit den Schichtdicken gewichteten Brechungsindizes der Vielfachschichten ergibt, ersetzt wird.

Im angegebenen Fallbeispiel kann beispielsweise die zweite Schicht (SiO2) durch eine Abfolge von mehreren Einzelschichten aus SiO2 und TiO2 ersetzt werden. Hierbei müssen die Einzelschichtdicken aus SiO2 deutlich dicker sein als die aus TiO2, damit sich in diesem Schichtpaket ein effektiver Brechungsindex einstellen lässt, der dem einer reinen SiO2-Schicht möglichst ähnlich kommt.

Legt man beispielsweise fest, daß die SiO2-Schicht durch drei sehr dünne Einzelschichten TiO2 von jeweils genau 2 nm Dicke unterbrochen werden soll und passt die Schichtdicken der anderen Schichten für eine Optimierung an, so ergibt sich folgende Schichtabfolge:

Substrat (n = 1,52)

0,150 QWOT TiO2 (8,7 nm)

4 Schichten 0,104 QWOT SiO2 (9,8 nm), dreimal unterbrochen von jeweils 2 nm TiO2

1,906 QWOT TiO2 (109,9 nm)

0,946 QWOT SiO2 (89,4 nm).

Das Schichtsystem umfaßt nun 11 Schichten mit einer Gesamtdicke von 255 nm, wobei die ersten acht Schichten einen erfindungsgemäßen feinlaminaren Schichtaufbau mit einer Vielzahl aufeinanderfolgender Einzelschichten mit weniger als 10 Nanometern Dicke darstellen.

Der errechnete spektrale Verlauf ist ebenfalls in 5D dargestellt. Er unterscheidet sich von dem betrachteten Ausgangsdesign im sichtbaren Bereich nur unwesentlich.

Es ist erfindungsgemäß möglich, außer einer Schicht weitere Schichten einer Schichtfolge für eine Entspiegelung durch eine Vielzahl von Einzelschichten zu ersetzen. Im angegebenen Fallbeispiel kann insbesondere auch die dickste Schicht, die 109,9 nm dicke TiO2-Schicht, durch eine passend gewählte Abfolge von feinlaminaren Einzelschichten ersetzt werden.

Legt man beispielsweise fest, dass die TiO2-Schicht durch acht Schichten SiO2 von jeweils genau 2 nm Dicke unterbrochen werden soll, und hält die im soeben durchgeführten Schritt erhaltenen Einzelschichten aus 9,8 nm SiO2 und 2 nm TiO2 fest und lässt nur noch die erste und die letzte Schicht des gesamten Schichtpaketes bei der Optimierung mit einem Schichtenberechnungsprogramm zusätzlich frei anpassen, so ergibt sich folgende Schichtabfolge:

Substrat (n = 1,52)

0,127 QWOT TiO2 (7,3 nm)

4 Schichten 0,104 QWOT SiO2 (9,8 nm), dreimal unterbrochen von jeweils 2 nm TiO2

9 Schichten 0,180 TiO2 (10,4 nm), achtmal unterbrochen von jeweils 2 nm SiO2

0,939 QWOT SiO2 (88,7 nm)

Das Schichtsystem umfaßt nun 27 Schichten mit einer Gesamtdicke von 252 nm.

Der errechnete spektrale Verlauf ist ebenfalls in 5D dargestellt. Er unterscheidet sich von dem betrachteten Ausgangsdesign im sichtbaren Bereich ebenfalls nur unwesentlich.

Es kann erfindungsgemäß auch die letzte im Schichtsystem verbleibende Schicht (89,4 nm SiO2) noch in Einzelschichten unterteilt werden, falls dadurch die beabsichtigte Diffusionssperrwirkung des Gesamtschichtsystems noch weiter erhöht werden kann.

Legt man beispielsweise fest, dass die SiO2-Schicht durch sechs Schichten TiO2 von jeweils 2 nm unterbrochen werden soll und lässt die anderen Einzelschichten in der gesamten Schichtabfolge bis auf die 2 nm dünnen Einzelschichten gruppenweise bei der Optimierung mit einem Schichtenberechnungsprogramm frei anpassen, so ergibt sich folgende Schichtabfolge:

Substrat (n = 1,52)

0,255 QWOT TiO2 (14,7 nm)

4 Schichten 0,092 QWOT SiO2 (8,7 nm), dreimal unterbrochen von jeweils 2 nm TiO2

9 Schichten 0,240 QWOT TiO2 (13,8 nm), achtmal unterbrochen von jeweils 2 nm SiO2

7 Schichten 0,117 QWOT SiO2 (11,1 nm), sechsmal unterbrochen von jeweils 2 nm TiO2.

Das Schichtsystem besteht aus 39 Schichten mit einer Gesamtdicke von 287 nm.

Der errechnete spektrale Verlauf ist ebenfalls in 5D dargestellt. Er unterscheidet sich von dem Verlauf des betrachteten Ausgangsdesigns im sichtbaren Bereich zwar deutlich, stellt aber immer noch ein wirkungsvolles Entspiegelungssystem im Vergleich zum unbeschichteten Substrat dar.

Die Diffusionssperrwirkung dieses Schichtsystems mit 39 Schichten kann gegenüber dem vorher betrachteten Schichtsystem mit nur 27 Schichten auf Grund der größeren Anzahl an Einzelschichten deutlich erhöht sein. Dieses Schichtsystem kann in Hinsicht auf die erfindungsgemäße Wirkung von Vorteil sein, auch wenn die Entspiegelungswirkung der Diffusionsbarriereschicht dieses Beispiels nicht mehr ganz so gut ist wie die aus den vorherigen Beispielen.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Barriereschicht in Form einer kristallisierten Substratoberfläche. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein amorphes Metalloxid-Substrat 1 verwendet und an der Fläche 2 des Substrats 1 eine Barriereschicht 20 aus dem Substratmaterial selbst gebildet. Als Substratmaterial wird vorzugsweise amorphes Siliziumoxid verwendet. Zur Bildung der Barriereschicht 20 wird das amorphe Substratmaterial insbesondere durch Kristallisation umgewandelt. Diese Umwandlung geschieht im wesentlichen nur in einem sehr oberflächennahen Bereich unter Bildung sehr kleiner Kristallite mit einer durchschnittlichen Größe bis höchstens 50 Nanometer, bevorzugt höchstens 10 oder sogar nur höchstens 2 Nanometer. Kristallisiertes Siliziumoxid weist gegenüber amorphem Siliziumoxid eine bessere Diffusionssperrwirkung auf, so daß durch die Schicht 20 tiefere Bereiche des Substrats 1 vor der Einwirkung schädlicher Gasbestandteile geschützt werden.

Das Kristallisieren des Substratmaterials in der Schicht 20 wird durch oberflächliches Aufheizen der Fläche 2 des Substrats 1 bis über die erforderliche Kristallisationstemperatur erreicht. Dazu wird die Fläche 2 des Substrats 1 plasmabehandelt. In einem Plasma werden sehr hohe Temperaturen erreicht. Da der Energieeintrag aufgrund der geringen Gasdichte eines vorzugsweise eingesetzten Niederdruck-Plasmas andererseits nur gering ist, wird auf diese Weise im wesentlichen nur ein Oberflächenbereich geringer Tiefe aufgeheizt, so daß es zur Ausbildung einer kristallisierten Schicht nur an der Oberfläche des Substrats 1 kommt. Das Plasmabehandeln kann beispielsweise ein reaktives Plasmaätzen der Fläche des Substrats sein, mit welchem die Substratoberfläche durch Einwirkung von beispielsweise Fluor- und/oder Sauerstoffionen gleichzeitig gereinigt wird. Für das Prozeßgas können beispielsweise verschiedene flüchtige Fluor-haltige Substanzen, wie Tetrafluormethan oder andere fluorierte Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Auch kann vorteilhaft Sauerstoff beigemengt werden. Das Plasmaätzen oder Trockenätzen ist auch aus der Halbleiter- und Mikrotechnik zur Strukturierung von Oberflächen bekannt. Bei einer derartigen Plasmabehandlung kann gleichzeitig vorteilhaft auch noch eine Aktivierung der Oberfläche erreicht werden, so daß sich ein derart behandeltes Substrat auch noch sehr gut eignet, zusätzliche Beschichtungen durchzuführen, welche dann besonders gut auf dem Substrat 1 haften. Gedacht ist hier insbesondere auch an erfindungsgemäße feinlaminare Barrierebeschichtungen 11, wie sie beispielhaft anhand der 1C bis 5D beschrieben wurden.


Anspruch[de]
  1. Beschichtetes Substrat, gekennzeichnet durch eine Barrierebeschichtung mit einer Vielzahl aufeinanderfolgender Einzelschichten, welche jeweils eine sich gegenüber einer benachbarten Einzelschicht unterscheidende Beschaffenheit aufweisen, wobei die Einzelschichten eine Schichtdicke von jeweils höchstens 50 Nanometern aufweisen.
  2. Beschichtetes Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einzelschichten, bevorzugt mehrere Einzelschichten, insbesondere mehrere aufeinanderfolgende Einzelschichten insbesondere auch alle Einzelschichten der Barrierebeschichtung eine Schichtdicke von höchstens 10 Nanometern aufweisen.
  3. Beschichtetes Substrat gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einzelschichten, bevorzugt mehrere Einzelschichten, insbesondere mehrere aufeinanderfolgende Einzelschichten, insbesondere auch alle Einzelschichten der Barrierebeschichtung eine Schichtdicke von höchstens 2 Nanometern, bevorzugt auch kleiner 2 Nanometern aufweisen.
  4. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Einzelschicht der Barrierebeschichtung sich von einer benachbarten Einzelschicht durch ihre chemische Zusammensetzung unterscheidet.
  5. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einzelschichten kristalline, insbesondere feinstkristalline oder teilkristalline Struktur aufweist.
  6. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Einzelschicht der Barrierebeschichtung sich von einer benachbarten Einzelschicht durch ihre Morphologie unterscheidet.
  7. Beschichtetes Substrat gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einzelschicht von einer benachbarten Einzelschicht durch ihre Kristallstruktur unterscheidet.
  8. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierebeschichtung zumindest ein Teilschichtpaket mit Einzelschichten gleicher Zusammensetzung, aber unterschiedlicher Morphologie umfaßt.
  9. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelschichten sich durch ihren Wachstumsmodus unterscheiden.
  10. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einzelschichten amorphe Struktur aufweist.
  11. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierebeschichtung zumindest ein Teilschichtpaket mit abwechselnden Schichten unterschiedlicher Beschaffenheit umfaßt.
  12. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierebeschichtung zumindest ein Teilschichtpaket mit amorphen und benachbarten, zumindest teilkristallinen, bevorzugt feinstkristallinen Schichten umfaßt.
  13. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierebeschichtung zumindest ein Teilschichtpaket mit zwei zumindest teilkristallinen, bevorzugt feinstkristalllinen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung umfaßt, zwischen denen jeweils eine amorphe Schicht angeordnet ist.
  14. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierebeschichtung transparent ist.
  15. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein transparentes Substrat.
  16. Beschichtetes Substrat gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Transparenz der Barrierebeschichtung der Transparenz des Substrats entspricht.
  17. Beschichtetes Substrat gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichttransmission durch ein beschichtetes Substrat von der Transmission eines Substrats ohne die Barrierebeschichtung im sichtbaren Spektralbereich um höchstens 5% abweicht.
  18. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der Barrierebeschichtung dem Brechungsindex der Substratoberfläche entspricht oder von diesem um höchstens 5 % abweicht.
  19. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Entspiegelungsschichtsystem mit der Barrierebeschichtung, wobei das Gesamtschichtsystem entspiegelnd wirkt und zumindest eine Schicht des Entspiegelungsschichtsystems ein Teilschichtpaket mit einer Vielzahl dünner aufeinanderfolgender Schichten mit einer durchschnittlichen Dicke der Einzelschichten von höchstens 50-Nanometern umfaßt, dessen effektiver Brechungsindex so bemessen ist, daß das Entspiegelungsschichtsystem insgesamt entspiegelnd wirkt.
  20. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einzelschichten, bevorzugt alle Einzelschichten anorganische Oxide enthalten, insbesondere anorganische Oxidschichten sind.
  21. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einzelschichten wenigstens eines der Oxide TiO2, ZrO2, SiO2, Al2O3, Nb2O5, Ta2O5, HfO2 enthält.
  22. Beschichtetes Substrat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat zumindest eines der Materialien Glas, Glaskeramik, Keramik, Metall, Halbleiter, einen kristallinen Werkstoff umfaßt.
  23. Verfahren zur Herstellung einer Barrierebeschichtung auf einem Substrat, insbesondere zur Herstellung eines beschichteten Substrats gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem zur Herstellung der Barrierebeschichtung eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Einzelschichten abgeschieden wird, die jeweils eine sich gegenüber einer benachbarten Einzelschicht unterscheidende Beschaffenheit aufweisen und deren Schichtdicke jeweils höchstens 50 Nanometer beträgt.
  24. Verfahren gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einzelschichten, bevorzugt mehrere Einzelschichten, insbesondere mehrere aufeinanderfolgende Einzelschichten, insbesondere auch alle Einzelschichten der Barrierebeschichtung mit einer Schichtdicke von höchstens 10 Nanometern abgeschieden werden.
  25. Verfahren gemäß Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einzelschichten, bevorzugt mehrere Einzelschichten, insbesondere mehrere aufeinanderfolgende Einzelschichten, insbesondere auch alle Einzelschichten der Barrierebeschichtung mit einer Schichtdicke von höchstens 2 Nanometern, bevorzugt auch kleiner 2 Nanometern abgeschieden werden.
  26. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelschichten mittels zumindest einem Vakuumabscheideverfahren abgeschieden werden.
  27. Verfahren gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Einzelschichten mit plasmaimpuls-unterstützter Dampfphasenabscheidung abgeschieden werden.
  28. Verfahren gemäß Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Einzelschichten aufgesputtert wird.
  29. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgend Schichten unterschiedlicher Morphologie durch Wechsel der Prozeßparameter von einer Schicht zu einer nachfolgenden Schicht abgeschieden werden.
  30. Verfahren gemäß Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wechsel der Prozeßparameter Einzelschichten mit unterschiedlichem Wachstumsmodus abgeschieden werden.
  31. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine amorphe Einzelschicht abgeschieden wird.
  32. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine wenigstens teilkristalline, bevorzugt feinstkristalline Einzelschicht abgeschieden wird.
  33. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilschichtpaket der Barrierebeschichtung mit abwechselnden Schichten unterschiedlicher Beschaffenheit abgeschieden wird.
  34. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilschichtpaket der Barrierebeschichtung mit zwei zumindest teilkristallinen, bevorzugt feinstkristalllinen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung, zwischen denen jeweils eine amorphe Schicht angeordnet ist, abgeschieden wird.
  35. Substrat mit Barriereschicht, wobei das Substrat eine amorphe Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet daß auf zumindest einer Fläche des Substrats eine Barriereschicht mit kristallisiertem Substratmaterial angeordnet ist, wobei die Kristallite der Barriereschicht eine durchschnittliche Größe von höchstens 50 Nanometern aufweisen.
  36. Substrat gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallite der Barriereschicht eine durchschnittliche Größe von höchstens 10 Nanometern aufweisen.
  37. Substrat gemäß Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallite der Barriereschicht eine durchschnittliche Größe von höchstens 2 Nanometern aufweisen.
  38. Substrat gemäß einem der Ansprüche 35 bis 37, gekennzeichnet durch ein Substrat mit amorphem Metalloxid.
  39. Substrat gemäß Anspruch 38, gekennzeichnet durch ein amorphes SiO2-Substrat mit einer Barriereschicht mit kristallisiertem Siliziumoxid des Substrats.
  40. Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit Barriereschicht, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 35 bis 39, bei welchem ein Substrat mit amorpher Struktur bereitgestellt und an zumindest einer Fläche des Substrats eine Barriereschicht durch Kristallisieren des Substratmaterials mit Kristalliten einer durchschnittlichen Größe von höchstens 50 Nanometern erzeugt wird.
  41. Verfahren gemäß Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß eine Barriereschicht durch Kristallisieren des Substratmaterials mit Kristalliten einer durchschnittlichen Größe von höchstens 10 Nanometern erzeugt wird.
  42. Verfahren gemäß Anspruch 40 oder 41, dadurch gekennzeichnet, daß eine Barriereschicht durch Kristallisieren des Substratmaterials mit Kristalliten einer durchschnittlichen Größe von höchstens 2 Nanometern erzeugt wird.
  43. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 40 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß eine Barriereschicht durch Kristallisieren von amorphem Metalloxid hergestellt wird.
  44. Verfahren gemäß Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß eine Barriereschicht durch Kristallisieren von amorphem Siliziumoxid hergestellt wird.
  45. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 40 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallisieren des Substratmaterials das oberflächliche Aufheizen der Fläche des Substrats umfaßt.
  46. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 40 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallisieren des Substratmaterials das Plasmabehandeln der Fläche des Substrats umfaßt.
  47. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 40 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallisieren des Substratmaterials das reaktive Plasmaätzen der Fläche des Substrats umfaßt.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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