Ionenstrahlzerstäubte Materialmischungen zur Herstellung von spannungsfreien, optischen Schichtsystemen auf flexiblen (PMMA-) Substraten

Abstract

Durch den aktuellen Trend zu Polymeren und damit einhergehend zu flexiblen Materialien steht die optische Dünnschichttechnik vor neuen Herausforderungen. Mithilfe der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), wie zum Beispiel der Ionenstrahlzerstäubung, können heutzutage qualitativ hochwertige optische Beschichtungen hergestellt werden. Diese Beschichtungen bestehen in der Regel aus Oxiden, die sich durch eine große Transparenz und eine hohe chemische Stabilität auszeichnen. Zum Beschichten von Polymeren sind Oxide jedoch nur bedingt geeignet, da oxidische Schichten meistens eine hohe Eigenspannung haben. Diese Spannung, in Kombination mit einer mäßigen Haftung zwischen Schicht und Polymersubstrat, führt zu Defekten wie z.B. Ablösung und Rissbildung in der Schicht. Auf flexiblen Substraten sind die Eigenspannungen noch problematischer, da bereits geringfügige Spannungen im Bereich von 100 MPa zu einer Verformung des Substrats führen. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung von Beschichtungsmaterialien, mit denen flexible Substrate defektfrei beschichtet werden können, sowohl mit Einzelschichten als auch mit Mehrschichtsystemen. Dazu werden mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes benötigt, die entweder spannungsfrei oder mit konträrer Spannung hergestellt werden können. Da reine Oxide aufgrund der hohen Eigenspannungen ungeeignet sind, wurden Beschichtungen aus Polymer und Polymer-Oxid Mischungen untersucht. Als Beschichtungsverfahren kam hierbei die Ionenstrahlzerstäubung zum Einsatz, da diese aufgrund der geringen Temperaturbelastung der Substrate ideal geeignet ist, um Polymere wie zum Beispiel Polymethylmethacrylat (PMMA)-Folie zu beschichten. Einzelschichten mit guten optischen Eigenschaften wurden mithilfe eines Polytetrafluorethylen (PTFE)-Targets realisiert. Ionenstrahlzerstäubtes PTFE wurde bisher noch nicht für optische Anwendungen verwendet, obwohl sich die PTFE-Schichten als hoch transparent darstellten. Im Gegensatz zu oxidischen Schichten sind sie zudem nahezu spannungsfrei sowie sehr flexibel. Auf dieser Basis konnten anschließend Einzelschichten aus den Materialmischungen PTFE und Tantalpentoxid (Ta2O5) bzw. PTFE und Aluminiumoxid (Al2O3) realisiert und charakterisiert werden. Mit Extinktionskoeffizienten im 10-5 Bereich sind diese Materialmischungen ebenfalls für optische Anwendungen gut geeignet. Bei beiden Materialien kann die Spannung der Schicht durch Anpassen des Mischverhältnisses in einem weiten Bereich eingestellt werden. Dadurch konnten flexible Einzelschichten auf PMMA-Folie hergestellt werden, die eine Biegung mit einem 10 mm Radius defektfrei überstehen. Ebenfalls wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals ein spannungsfreies Mehrschichtsystem mit definierten optischen Eigenschaften berechnet und realisiert.

Because of the current trend towards polymers and flexible materials the optical thin film technology faces new challenges. By means of the physical vapour deposition (PVD) and particularly ion beam sputtering various inflexible substrates can be coated with stable and high-quality optical coatings. Usually, these coatings consist of oxides which are characterized by a high transparency and chemical stability. In order to coat polymer substrates oxides are suitable to only a limited extent because of the high stress of oxide coatings. This high stress is mostly negligible when using inflexible glass substrates with a good adhesion between coating and substrates. In contrast, the adhesion between coating and polymer substrates is strongly decreased which causes delamination and crack formation in order to lower the stress. In case of coatings on flexible substrates like Polymethyl methacrylate (PMMA) foil the coating stress is a dominant effect, since even a small coating stress of about 100 MPa leads to deformation of the substrate. Therefore, the goal of this work was the development of coating materials with adapted coating stress in order to produce defect free single- and multilayer coatings with good optical quality. For this reason, two materials with different refractive indices are needed at least. Additionally, the materials have to be stress free or with balanced tensile and compressive stress. Pure oxides are not suitable because of the high stress. Therefore, coatings consisting of polymers and polymer-oxide mixtures were investigated. The coatings were produced with ion beam sputtering (IBS) because it is well suited for the production of coatings on polymer substrates due to the low temperature of the substrates during the process. Single layers with good optical quality were produced from a Polytetrafluoroethylene (PTFE) target. Until now, ion beam sputtered PTFE coatings were not used for optical applications although it turned out that the PTFE coatings have a high transparency. Contrary to oxides sputtered PTFE is nearly stress free and highly flexible. On this basis mixtures of PTFE and tantalum pentoxide (Ta2O5) or aluminium oxide (Al2O3) could be realised and characterized subsequently. With an extinction coefficient in the 10-5 region both material mixtures are well suitable for optical applications. The coating stress depends on the mixing ratio and can be tailored in a wide area. As a result flexible single layers could be coated on PMMA foil, which are defect free after bending with a radius of 10 mm. Furthermore, a stress free multilayer coating with predefined optical properties could be designed and produced within this work.