Entwicklung von Vakuumbeschichtungsprozessen für die Entspiegelung von Polymethylmethacrylat Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) genehmigt durch die Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät (Ingenieurwissenschaftlicher Bereich) der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg von Herrn Peter Munzert geb. am 09.12.1971 in Coburg Dekan der Fakultät: Prof. Dr. habil. A. Langner Gutachterin / Gutachter: 1. Prof. Dr.-Ing. habil. G. Leps 2. Prof. Dr.-Ing. H. Roggendorf 3. Prof. Dr. H.-K. Pulker Halle (Saale), 16.11.2004 urn:nbn:de:gbv:3-000007579 [http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=nbn%3ade%3agbv%3a3-000007579]
Inhaltsverzeichnis Abkürzungen, Formelzeichen, Symbole 1 Einleitung und Problemstellung 1 1.1 Kunststoffe für optische Anwendungen 1 1.2 Motivation für die Beschichtung optischer Komponenten aus Kunststoff 1 1.3 Problemstellung dieser Arbeit 2 2 Theoretische Grundlagen 4 2.1 Optische Interferenzschichtsysteme 4 2.1.1 Entspiegelung 6 2.1.2 Spiegel / Filter / Strahlteiler 9 2.2 Stand der Technik zur Vakuumbeschichtung von Kunststoffen 11 2.2.1 Vakuumbedampfung 11 2.2.2 Dampfabscheidungsverfahren für die Kunststoffbeschichtung 12 2.2.3 Spezielle Problematik der Kunststoffbeschichtung 14 2.2.4 Vorbehandlungen und Prozesse zur Beschichtung von PMMA 15 2.3 Wechselwirkungen eines Niederdruckplasmas mit Kunststoffoberflächen 17 2.3.1 Oberflächenmodifizierung durch Plasmabehandlung 17 2.3.2 Einfluss energiereicher Strahlung aus einem Plasma 18 2.3.3 Einfluss des Ionenbeschusses aus einem Plasma 20 2.4 Photochemische Degradation und Oxidation von Polymeren 21 2.4.1 Auswirkungen von UV-Global- und Laserstrahlung 21 2.4.2 Auswirkungen von ionisierender Strahlung und Vakuum UV 23 2.5 Adhäsion 25 2.5.1 Allgemeine Adhäsionstheorien 25 2.5.2 Adsorptionsmodell 26 2.5.3 Thermodynamische Beschreibung der Vorgänge an Phasengrenzen 28 2.5.4 Haftmechanismen für Beschichtungen auf Kunststoffsubstraten 30 3 Experimenteller Teil 33 3.1 Probekörper für Beschichtungs- und Behandlungsversuche 33 3.1.1 Untersuchte Substratmaterialien 33 3.1.2 Herstellung der Probekörper 35 3.2 Schichtherstellung 36 3.2.1 Komponenten der Beschichtungsanlage 36 3.2.2 Schichtmaterialien 38 3.2.3 Variation der Prozessparameter 38 3.3 Beschichtungsrelevante Behandlungen 39 3.3.1 Niederdruckplasmabehandlung 39 3.3.2 Einwirkung von Emissionen der Elektronenstrahlverdampfer 40 3.4 Verfahren zur Charakterisierung der Kunststoffoberfläche 41 3.4.1 Bestimmung der Oberflächenenergie durch Randwinkelmessung 42 3.4.2 Rasterkraftmikroskopie (AFM) 43 3.4.3 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie 44
3.4.4 Infrarotspektroskopie 47 3.5 Verfahren zur Schichtcharakterisierung 50 3.5.1 UV/VIS-Spektralphotometrie 50 3.5.2 Ermittlung der Schichtspannungen 51 3.6 Verfahren zur Beurteilung der Haftfestigkeit von Beschichtungen 52 3.7 Designrechnung für Interferenzschichtsysteme 55 4 Ergebnisse und Diskussion 57 4.1 Einfluss der Beschichtungsbedingungen auf die Haftfestigkeit 57 4.1.1 Ausgangsproblem 57 4.1.2 Schichtabscheidung durch Widerstandsverdampfung ohne Ionenstützung 58 4.1.3 Einfluss von Ionenbeschuss und Strahlung eines Plasmas 60 4.1.4 Einfluss der VUV-Emissionen bei der Elektronenstrahlverdampfung 63 4.2 Eigenschaften der Substratoberflächen nach beschichtungsrelevanten Behandlungen 66 4.2.1 Einfluss der Behandlungen auf die Oberflächenenergie 66 4.2.2 Chemische Zusammensetzung der Substratoberfläche 69 4.2.2.1 Nachweis durch Infrarotspektroskopie 69 4.2.2.2 Nachweis durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie 70 4.2.3 Auswirkungen auf die Oberflächentopographie 76 4.2.4 Änderung der optischen Eigenschaften 79 4.3 Entwicklung von Schichtdesigns und Prozessen zur haftfesten Beschichtung von Polymethylmethacrylat 82 4.3.1 Lösungsidee VUV-Schutzschicht 82 4.3.2 Materialauswahl für eine VUV-Schutzschicht 83 4.3.3 Experimentelle Ermittlung der notwendigen Dicke der Schutzschicht 84 4.3.4 Bestimmung der maximal erlaubten transmittierten Restintensität für VUV-Schutzschichten 86 4.3.5 Entwicklung eines 10-Schicht AR-Systems nach dem ARhard -Design 88 4.3.6 Entwicklung eines 4-Schicht AR-Systems 90 5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 94 6 Conclusion 97 7 Literatur 100 Anhang
Abkürzungen, Formelzeichen, Symbole Abkürzungen APS Plasmaionenquelle der Fa. Leybold Optics (engl. Advanced Plasma Source) AR Entspiegelung (engl. Anti Reflection) ATR Abgeschwächte Totalreflexion (engl. Attenuated Total Reflection) BBAR Breitbandentspiegelung BIAS Spannung zwischen Substratposition und Kathode (engl. für Vorspannung) COC Cyclo Olefin Copolymer COP Cyclo Olefin Polymer DC Gleichstrom (engl. Direct Current) DLC diamantartige Kohlenstoffschicht (engl. Diamond Like Carbon) ESCA Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse ESV Elektronenstrahlverdampfung FE Flächeneinheit FTIR FT-Infrarotspektroskopie (engl. Fourier Transform Infrared Spektroscopy) GKW Gitterschnittkennwert H4 Markenname der Fa. Merck für Lanthan(III)titanat (Verdampfungssubstanz) HR Verspiegelung (engl. High Reflection) IAD Ionen gestützte Abscheidung (engl. Ion Assisted Deposition) IOF Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik Jena LIM Lichtmikroskop MW Mikrowellenanregung (des Plasmas) NIR Naher Infrarotbereich PA Polyamid PBT Polybuthylentherephtalat PC Polycarbonat PE Polyethylen PECVD plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (engl. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) PES Polyethersulfon PET Polyethylentherephtalat PIAD Plasma-Ionen gestützte Bedampfung (engl. Plasma Ion Assisted Deposition) PMMA Polymethylmethacrylat PP Polypropylen PS Polystyrol PVC Polyvinylchlorid PVD Physikalische Dampfphasenabscheidung (engl. Physical Vapor Deposition) QUV Quick UV Test QWOT λ/4-dicke (engl. Quarterwave Optical Thickness) RF Radiofrequenzanregung (des Plasmas) SIMS Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie UV/VIS Spektrometrie im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich VIS sichtbarer Spektralbereich (engl. Visible) VUV Vakuum-UV WV Widerstandsverdampfung XPS Röntgen-Photoelektronenspektroskopie
Lateinische Buchstaben A Absorption A g geometrische Fläche A V Fläche der Verdampfungsquelle A w wahre Oberfläche (Bruchfläche) BW Bandbreite einer Entspiegelung (engl. Band Width) c Lichtgeschwindigkeit im Vakuum d p Eindringtiefe der Strahlung in die Probe d st Stempeldurchmesser E b Bindungsenergie E kin kinetische Energie f Frequenz F a äußere Kraft F i innere Kraft f reso Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) F z Abreisskraft h Planck sche Konstante h υ Photonenenergie k Absorptionsindex k B Boltzmann-Konstante Ι transmittierte Intensität Ι 0 eingestrahlte Intensität Ι em Emissionsgrad M Molare Masse N Anzahl der Atome n Brechzahl, Brechungsindex n d optische Dicke n C Brechzahl bei 656 nm Wellenlänge n D Brechzahl bei 589 nm Wellenlänge n F Brechzahl bei 486 nm Wellenlänge n IRE Brechzahl des ATR-Kristalls (engl. Internal Reflection Element) n s Brechzahl des Substrats p D Sättigungsdampfdruck p * Druck r Reflektivität R Reflexion sccm Standard-Kubikzentimeter (Einheit für Volumenstrom) S Streuung T Transmission T s Schmelztemperatur W A Adhäsionsarbeit z Abstand von der Grenzfläche ATR-Kristall - Probe
Griechische Buchstaben α Absorptionskoeffizient α V Verdampfungskonstante δ Phasenverschiebung / Gangunterschied ε Emissionskoeffizient ρ Dichte λ Wellenlänge λ 0 Zentrumswellenlänge µ reduzierte Masse θ Kontaktwinkel Θ Einfallswinkel der IR-Strahlung υ Abbesche Zahl ν Wellenzahl σ d dispersiver Anteil der Oberflächenenergie σ f Schichtspannung σ H Haftfestigkeit σ l Oberflächenspannung der Flüssigkeit (engl. liquid) σ p polarer Anteil der Oberflächenenergie σ s Oberflächenenergie des Festkörpers (engl. solid) σ sl Grenzflächenspannung Festkörper - Flüssigkeit σ V Verbundfestigkeit Abreissfestigkeit σ z Chemische Symbole Al 2 O 3 Aluminium(III)oxid ITO Indium-Zinn-Oxid La 3 TiO Lanthan(III)-Titanat MgF 2 Magnesium(II)-fluorid Nb 2 O 5 Niob(V)-oxid SiO 2 Siliziumdioxid Ta 2 O 5 Tantal(V)-oxid TiO 2 Titandioxid