Entwicklung von Vakuumbeschichtungsprozessen für die Entspiegelung von Polymethylmethacrylat

Abstract

Polymethylmethacrylat (PMMA) ist der für optische Anwendungen am häufigsten eingesetzte transparente Thermoplast. Die Beschichtung der Oberflächen von Kunststoffoptiken ist in vielen Fällen erforderlich, um zum Beispiel die Reflexion von Grenzflächen zu vermindern (Entspiegelung), jedoch oft auch um die Kratzfestigkeit zu erhöhen. Ein etabliertes Verfahren für das Aufbringen von Interferenzschichten auf Kunststoffen ist das plasma-ionengestützte Aufdampfen (Plasma-IAD). Optiken aus PMMA kommen jedoch aufgrund der ungünstigen Haftungseigenschaften für solche Beschichtungen zum größten Teil noch unbeschichtet zum Einsatz. In den hier durchgeführten Untersuchungen wurde experimentell nachgewiesen, dass die bei einer plasma-ionengestützten Vakuumbedampfung (Plasma-IAD) auf das Substrat einwirkenden Teilchen- bzw. Strahlungsemissionen die Schichthaftung auf PMMA bestimmen. Es konnte gezeigt werden, dass neben dem 'direkten' Plasmakontakt vor allem Vakuum-UV-Strahlung, die von einem solchen Niederdruckplasma emittiert wird, verantwortlich für die Abnahme der Haftfestigkeit ist. Mittels XPS-Analysen war es möglich, den Effekt einer Modifizierung der PMMA-Oberfläche durch emittierte VUV-Strahlung zu belegen. Erstmals wurde außerdem nachgewiesen, dass auch die bei der Verdampfung des Schichtmaterials durch Elektronenstrahl-Verdampfer freiwerdende Strahlung ebenfalls zu einer Verringerung der Schichthaftung führt. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden praxistaugliche Beschichtungsprozesse und Schichtsysteme für die Entspiegelung von Polymethylmethacrylat entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass eine hohe Haftfestigkeit unabhängig von der Art der Schichtmaterialien nur dann erreicht wird, wenn die Schichtherstellung durch thermisches Verdampfen mittels Widerstandsheizung und unter Ausschluss von Plasmaquellen erfolgt. Gelingt unter diesen Bedingungen die Herstellung einer Schicht, die VUV-Strahlung in ausreichendem Maße absorbiert, kann diese als Schutzschicht gegen Emissionen aus dem weiteren Beschichtungsprozess dienen. Nachfolgende Schichten können dann durch Elektronenstrahl verdampft und durch Plasmaeinwirkung verdichtet werden, ohne dass die Haftfestigkeit des gesamten Schichtsystems verringert wird.

Polymethylmethacrylate (PMMA) is the most common transparent thermoplastic polymer for optical applications. In many cases optical coatings are required to reduce the surface reflection (anti-reflection coatings) but also to enhance the scratch resistance. An established low-temperature deposition technique suitable for the coating of polymers is the plasma-ion-assisted evaporation (plasma-IAD). Coatings that are deposited by this procedure on PMMA show, in general, very little adhesion to the substrate. In this study it was shown by experiments that high-energy emissions in a plasma-ion-assisted deposition process have a decisive effect on the adhesion of deposited coatings on PMMA. It was demonstrated that, besides the 'direct' plasma contact, the emission of vacuum-UV radiation from the plasma is also responsible for a decrease in adhesive strength. Proved by XPS analyses, this effect was attributed to chain scission reactions on the PMMA surface. Besides the plasma, a negative influence of the electron beam gun emissions on the adhesive strength of evaporated layers was detected. Based on all the experience collected till then, we proposed the thesis that an enhancement of coating adhesion on PMMA can be reached by protecting the substrate from VUV irradiation during the deposition process. Considering the fact that boat-evaporated layers adhere well, we decided to use such a coating as a 'VUV protecting layer'. With a thickness of this layer, sufficient for 'entire' absorption of radiation emitted from the subsequent evaporation process, it was possible to deposit a well-adherent layer system on a PMMA substrate.